“未來水稻”時代，是個增加了分子生物學(xué)技術(shù)“工具”的育種時代，能促使水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等的全方位、大幅度提升。
不久前，第19屆國際植物學(xué)大會活動之一的“2017年國家自然科學(xué)基金委員會與國際水稻研究所聯(lián)合研討會”，在深圳舉辦。一種基于生物分子育種技術(shù)的“未來水稻”，受到廣泛關(guān)注。
據(jù)稱，“未來水稻”是在充分利用成熟的常規(guī)育種技術(shù)和水稻雜種優(yōu)勢基礎(chǔ)上，對水稻某些重要農(nóng)藝性狀施以基因技術(shù)為核心的分子設(shè)計育種，讓水稻育種更具針對性，使水稻個別性狀改良育種周期更短，從而培育出升級版的“超級稻”。
換言之，“未來水稻”時代，是個增加了分子生物學(xué)技術(shù)“工具”的育種時代，能促使水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等的全方位、大幅度提升。這種讓人充滿想象力的“新品”，究竟在多遠的未來？科技日報記者就此采訪了多位業(yè)內(nèi)專家。
“分子技術(shù)”落腳點必須在“育種”上
“未來水稻，是每個育種科學(xué)家都要思考的重大方向。目前，國際上很多專家都在通過研究未來氣候變化、人類對水稻食用的需求等因素，來預(yù)測未來水稻需具有或應(yīng)改良的優(yōu)良性狀。未來水稻代表研究方向，但不是某個具體的新水稻類型，或獨立概念。”7月25日，中國工程院院士袁隆平團隊核心育種專家鄧啟云向科技日報記者表示。
作為超級稻二、三、四期百畝片攻關(guān)成功品種的培育者，鄧啟云是利用水稻亞種間雜種優(yōu)勢和形態(tài)改良，通過常規(guī)方法育種的杰出代表之一。在他看來，“未來水稻”涉及的生物分子育種技術(shù)，是先進技術(shù)。不過，目前并不能完全支撐水稻育種改良。應(yīng)用最多、最有效的，是針對水稻植株個別簡單遺傳性狀，如針對水稻稻瘟病、白葉枯病等抗病性進行抗性基因改良的“分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)”。
“常規(guī)育種并非生物分子育種技術(shù)的對立面。我們的育種實踐中也在逐步使用分子生物學(xué)家研究開發(fā)的前沿技術(shù)，比如分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)進行稻瘟病抗性改良，并培育出了可市場化的水稻品種。我們也在做基因編輯應(yīng)用于育種的探索。”鄧啟云說。不過，他強調(diào)，“分子育種”中，“分子技術(shù)”只是實現(xiàn)育種的手段，落腳點一定要在“育種”上。“最終目標(biāo)是為農(nóng)民提供品質(zhì)更好、抗病抗風(fēng)險能力更強、環(huán)境更友好、產(chǎn)量更高的水稻品種。單一研究分子生物學(xué)的科學(xué)家，很難培育出可產(chǎn)業(yè)化的品種。分子育種更應(yīng)該由有經(jīng)驗、懂市場的育種家引導(dǎo)，分子生物學(xué)家參與，共同推進新技術(shù)在育種領(lǐng)域的發(fā)展。”
此外，超級稻常規(guī)育種，已建立起可成功利用雜種優(yōu)勢的三系法、兩系法育種體系。但目前，分子育種尚未創(chuàng)造出大規(guī)模應(yīng)用的新育種途徑。鄧啟云表示，作為農(nóng)作物改良非常成熟的常規(guī)雜交育種技術(shù)，尚有產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀方面的提升潛力。“不過，分子育種技術(shù)隨著水稻基因組基因解析的不斷充實和完善，并充分利用成熟的現(xiàn)代雜交育種技術(shù)體系（而不是拋棄），必將為水稻增產(chǎn)提質(zhì)帶來很大潛力。”
表現(xiàn)型數(shù)據(jù)資源共享成期待
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員徐建龍介紹，生物育種技術(shù)廣義上分為分子標(biāo)記輔助選擇育種和轉(zhuǎn)基因育種兩大類。其中，分子標(biāo)記輔助選擇育種，針對農(nóng)作物主要性狀進行改良。在改變農(nóng)作物單個或少數(shù)抗性性狀上，應(yīng)用較為有效。而在這類輔助選擇育種中，全基因組選擇育種則較為“上乘”，是常規(guī)分子輔助育種的“升級版”，針對的是數(shù)量性狀改變。但數(shù)量性狀易受環(huán)境影響，需同步改變多個基因選擇。因此，難度較大。“真正的全基因組選擇技術(shù)，目前的應(yīng)用效果并不太好。它的育種成本也很高。國外種業(yè)企業(yè)如美國孟山都等，已開始應(yīng)用并初見成效。國內(nèi)仍在研究探索階段。”
另一大類，則是轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)。其中派生出了基因組編輯技術(shù)，這是通過對生物基因組特定靶位點進行定向改變的新技術(shù)，被喻為“遺傳手術(shù)刀”，在農(nóng)作物分子遺傳改良育種上已呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。“基因編輯育種，雖然利用了轉(zhuǎn)基因技術(shù)，卻并不含轉(zhuǎn)基因成分。”徐建龍說。不過，他表示，在我國實現(xiàn)全基因組選擇育種等，仍有很長的路。
生物育種領(lǐng)域，讓人注目的，還有2015年，我國公開免費共享的3000份綠色超級稻基因組原始測序數(shù)據(jù)，覆蓋了全球25萬份種質(zhì)基因全部遺傳變異的95％。當(dāng)年，一位超級稻科研工作者接受科技日報記者采訪時曾表示，該基因數(shù)據(jù)庫資源至少有兩方面用途：從基因庫調(diào)取數(shù)據(jù)，研究目標(biāo)基因的分布、進化和功能；分析基因組間多態(tài)性位點，并開發(fā)分子標(biāo)記，甚至是可用于分子育種的基因芯片。
中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所研究員黎志康也表示，將這3000份數(shù)據(jù)帶入水稻育種應(yīng)用中，將為水稻育種創(chuàng)新提供材料和新思路，對數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，還將填補人們對水稻甚至各個物種在基因組學(xué)方面的知識空缺。
然而，這也只是邁出的關(guān)鍵一步。國家千人計劃特聘專家、華智水稻生物技術(shù)有限公司李繼明博士表示，3000份資源測序?qū)崿F(xiàn)了序列信息共享。但更困難和重要的工作，是將這3000份資源的各項表現(xiàn)型數(shù)據(jù)，如抗病蟲、抗逆、米質(zhì)等，進行協(xié)調(diào)收集與共享，才能充分發(fā)揮測序資源的作用。
徐建龍稱，盡管目前明晰了“序列”，但尚無法“確定”基因。表型測量現(xiàn)為人工田間測量，工作量極大。但采用全基因組育種，則相對容易。不過，它成本高昂，超出了國內(nèi)現(xiàn)有多數(shù)企業(yè)的成本承受和考慮范疇。而我國亟待將種業(yè)做大做強，加速開展此類研究。華智水稻生物技術(shù)有限公司正積極申報湖南省全基因組重點實驗室，助推全基因育種研究發(fā)展。
我國升級版“超級稻”研究正興起
盡管“未來水稻”的未來還很遙遠，但我國科研人員，也在此領(lǐng)域取得了一些研究進展。譬如，中國農(nóng)科院中國水稻所、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，與中國農(nóng)科院深圳基因組所三方合作，以基因組測序的日本晴和9311為優(yōu)良目標(biāo)基因供體，對涉及水稻產(chǎn)量、稻米外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)、生態(tài)適應(yīng)性等28個優(yōu)良目標(biāo)基因主動設(shè)計，以綜合品質(zhì)差的超高產(chǎn)品種特青作為優(yōu)良基因受體，定向選擇培育出廣兩優(yōu)7203和廣兩優(yōu)7217等國審新品種子。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所姚善國研究組，致力于東北粳稻多基因組裝設(shè)計育種研究，以歷史栽培面積最大的品種空育131為底盤，通過全基因組深度測序，發(fā)掘了系列相關(guān)性狀優(yōu)良等位變異，并以空育131為基礎(chǔ)，培育出了水稻新品種中科902。
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋、高彩霞兩課題組，利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)和高通量寡核苷酸芯片合成技術(shù)，對水稻全基因組進行大規(guī)模編輯，成功實現(xiàn)了水稻突變體的高通量快速構(gòu)建和功能篩選。這既是獲得水稻重要突變體和快速克隆對應(yīng)基因的有效方法，也能為水稻遺傳改良和分子設(shè)計育種提供重要途徑。
