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粮食产量年年增产的背后是科技的力量

时间: 2021-03-04 15:41:08 来源: 科技日报

2020年我国粮食总产量比上年增加113亿斤,实现“十七连丰”。据中国农科院公布的数据,在种植面积减少的情况下,我国粮食产量仍实现年年增产,这一减一增背后是科技的力量,其中良种培育是至为关键的一环。本报将分门别类地介绍各种作物的育种情况,带你了解它们背后的生物育种故事。

玉米是我国最重要的粮食作物之一,玉米的自给率可达95%以上。我国农业主管部门主要负责人不止一次地表示,玉米基本自给是中国粮食安全的底线。“玉米之所以能做到粮仓里装中国粮、耕地里种中国种,依赖的是科技进步与创新。”玉米育种专家、中国农业科学院作物科学研究所(以下简称农科所)研究员黎亮在接受科技日报记者采访时表示。

常规育种技术周期长、优良亲本自交系选择率低,很难在短时间内选育出所需要的品种。近年来,单倍体育种、分子标记辅助育种、基因编辑育种等生物技术的应用,提高了玉米育种的效率,开辟了玉米育种的新途径。

我国种植玉米九成是自育品种

“目前我国所有生态区的玉米品种推广都面临着国际竞争,主要的跨国公司都在我国开展了品种选育或市场推广。但我国玉米自育品种的种植面积仍达90%以上,实现这个比例是很不容易的,是国内广大育种者共同努力的结果。”黎亮说。

多年前,我国玉米品种普遍存在单产水平低、耐密性差、抗病抗虫能力弱等缺点,严重限制了我国玉米的产能。同时我国玉米种质资源相对匮乏,极大地限制了对高产耐密抗病虫能力强的玉米品种的选育。

为了解决这个“硬骨头”,农科所黄长玲研究员团队广泛搜集国内外优良玉米种质资源,潜心钻研,充分利用分子标记技术辅助玉米种质资源创新,历经23年,先后育成耐密性好、产量高、适宜种植范围广的玉米新品种“中单808”和“中单909”。

黎亮介绍,“中单808”在西南地区推广后,该地区玉米种植密度提升30%(每亩增加1000株),产量增幅高达39.3%,成为西南地区主导玉米品种。“中单909”在我国黄淮海玉米区试种期间,平均亩产比黄淮海主推品种“郑单958”增产5.1%,在全国高产潜力研究实验中,更是创造出亩产1376公斤的高产纪录。

继“中单808”和“中单909”之后,农科所玉米研究团队并没有止步。他们继续朝着新的育种目标尤其是当前的高优质绿色目标开展研发攻关,整合各项育种技术,进行材料创制和品种选育,并取得了可喜的进展。

他们还构建了以密植增穗增产、高质量群体构建、病虫害绿色防控、机械粒收与全程机械化作业、秸秆还田为主的玉米密植高产全程机械化绿色技术体系,2020年创亩产1663.25公斤新纪录,再次刷新我国玉米高产纪录。

此外,“十三五”期间,农科所团队还育成了“中单123”“中单685”“中玉303”“中单111”等10个高产抗逆宜机收新品种,为提高我国玉米产量作出了贡献。

让育种者告别“无米之炊”

俗话说“巧妇难为无米之炊”,生物育种的第一步就是需要有育种材料,并且需要知道这些材料里是否含有符合品种需求的优良基因。“由于我国并非玉米的起源地,玉米种质资源无论丰富程度还是水平高低,都与一些国家存在一定差距。”黎亮说。

黎亮介绍,农科所建立了我国玉米种质资源的安全保护体系,安全保存了3万余份种质资源。并且牵头完成了对主产区2000份玉米种质资源的关键性状(如抗旱、抗病、氮利用效率、抗倒、籽粒脱水速率等)评价,阐明了我国玉米种质资源遗传多样性特性,为种质资源的高效利用打下了基础。

生物育种离不开基础领域的研究与突破,尤其是基因组学的发展以及关键基因的挖掘与鉴定。这些基础研究能从根本上提高育种效率。

“在不清楚目标性状受哪些基因控制或调控之前,育种专家只能依赖于田间表现对品种进行选择或淘汰,而无法做到针对基因型的直接选择。参考基因组的构建大大加速了基因挖掘的速度。”黎亮说。

为此,中国农业大学完成了玉米自交系Mo17的高质量参考基因组;北京农科院也构建了中国玉米骨干自交系“黄早四”的高质量基因组图谱;中国农业科学院公布了基于1218个玉米自交系的第三代多态性数据。

“在此基础上,科学家们克隆了多个重要农艺性状的基因,比如克隆了玉米生育期、株型建成、耐密、抗病相关的基因并阐明了遗传机制,揭示了现代玉米育种过程中基因组选择与遗传改良规律。这些研究成果大大推动了分子标记辅助育种向前发展。”黎亮说。

构建玉米育种的“高铁技术”

“传统玉米育种中,如果想把某个优良的基因融合到某个自交系中,需要将携带这个基因的材料和这个自交系进行杂交,然后通过不断自交或者回交的方式获得新的自交系。在不清楚哪个基因控制某种目标性状之前只能通过每个世代的田间表现进行选择,如果能清楚哪个基因控制某种目标性状,则可以利用分子标记辅助选择。”黎亮说,尽管如此,这种传统模式仍然耗时费力,周期很长。

而单倍体育种技术的出现革命性地打破了这一传统育种模式。近年来,以生物诱导为基础的玉米单倍体育种技术,成为可与基因编辑技术、分子标记辅助育种技术相媲美的现代玉米育种三大核心技术之一。单倍体植株只含有一个染色体组,含有多个染色体组的是多倍体,包括玉米在内的很多物种都是多倍体。单倍体育种,是利用组织培养技术在多倍体植株花粉期获得单倍体,然后再对单倍体进行染色体组加倍,从而形成纯合自交系品种。

黎亮表示,工程育种技术为提高育种效率提供了保障,其中的单倍体育种技术,最快可一年甚至7—8个月获得纯系,显著提升了育种效率,被誉为玉米育种的“高铁技术”。

记者获悉,中国农业大学陈绍江教授团队围绕单倍体育种技术攻关20余年,在单倍体的高频诱导、高效鉴别和高通量加倍3个核心技术环节均有了技术突破,从而使这项技术在我国玉米育种中得以推广应用。在单倍体的诱导机理方面,团队克隆了控制单倍体诱导的两个基因,并实现了单倍体技术向小麦、拟南芥等其他物种的发展,使得我国在这一领域的研究处于国际领先水平。

玉米基因编辑技术研究与国际同步

基因编辑等生物技术为改变某些目标性状提供了新的路径和策略。

基因编辑技术是近10年来新兴的颠覆性生物技术,具有变异明确、稳定遗传、研发效率高与适用范围广等特点。该技术的出现打破了传统玉米育种所遇到的瓶颈难题,极大地推动了现代玉米育种的发展。

“经过多年不懈改进,基于细菌适应性免疫机制原理,我国科学家研发出了以RNA为指导识别单元、以核酸修饰酶为定点突变活性工具酶的新一代基因编辑技术体系。该技术体系能够对目标基因实行精准突变或修饰,从而使育种专家获得所需的生物育种性状。”黎亮说。

农科所谢传晓研究员团队就在这一研究领域做了大量创新性的工作,使得我国在玉米基因编辑育种的技术储备和国际水平保持同步。

团队利用基因编辑技术对玉米育性基因的功能结构域进行了定点定向删除,从而创制了核不育系,并巧妙地利用基因编辑技术使之与保持系技术兼容,从而创制出操控型核不育保持系品种。

“用这种技术育成新品种后,在进行制种时不再需要人工或机械去雄,可以实现‘一步法’制种,降低了生产成本。”黎亮说。

他表示,未来多项育种技术的有机融合将大大提高玉米育种的效率,形成新的工程化育种模式。

责任编辑:QL0009

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