發(fā)掘玉米品質(zhì)優(yōu)良基因分子育種如同魔術(shù)

文|于雷 中國林業(yè)科學(xué)研究院 編輯|楊陽

發(fā)掘玉米品質(zhì)優(yōu)良基因分子育種如同魔術(shù)

文|于雷 中國林業(yè)科學(xué)研究院 編輯|楊陽

項(xiàng)目成果：玉米重要營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良基因發(fā)掘與分子育種應(yīng)用

承擔(dān)單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院等

亞瑟·C·克拉克說：“任何足夠先進(jìn)的技術(shù)都等同于魔術(shù)?！痹谵r(nóng)作物育種領(lǐng)域，達(dá)到分子水平的育種技術(shù)絕對(duì)可以稱之為“魔術(shù)”。

在今年1月9日舉辦的2016年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院教授、中國作物學(xué)會(huì)玉米專業(yè)委員會(huì)主任李建生領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“玉米重要營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良基因發(fā)掘與分子育種應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲2016年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，找到了74個(gè)與油份和脂肪酸有關(guān)的候選基因，包括之前鑒定的與玉米油份代謝有關(guān)的3個(gè)關(guān)鍵基因。

品質(zhì)改良 玉米品種的“供給側(cè)”改革

玉米是我國最重要的主糧農(nóng)作物之一。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的2016年糧食生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，玉米播種面積36759.7千公頃、總產(chǎn)量21955.4萬噸，分別占谷物播種面積的38.95%、總產(chǎn)量的38.85%。從面積或產(chǎn)量來看，玉米是當(dāng)之無愧的三大主糧（小麥、水稻、玉米）之首。

在玉米種植面積、產(chǎn)量華麗數(shù)字的背后，是玉米在市場(chǎng)的尷尬境地。據(jù)布瑞克統(tǒng)計(jì)，目前國儲(chǔ)庫里仍有接近2.4億噸的玉米庫存，今年實(shí)行新的玉米收購政策后，玉米的收購價(jià)格一度低迷。

李建生曾表示：“當(dāng)前我國玉米出現(xiàn)的過剩是階段性的、暫時(shí)的，但從長遠(yuǎn)來看，玉米仍是剛性需求。3斤玉米換1斤動(dòng)物性產(chǎn)品，考慮人口增長和生活水平因素，我國對(duì)玉米的消費(fèi)需求仍將保持增長的趨勢(shì)?！?/p>

長期以來，人們注重糧食產(chǎn)量，忽視糧食營養(yǎng)品質(zhì)。近年來，越來越多的國人對(duì)食品的需求從“吃飽”轉(zhuǎn)向“吃好”。注重糧食的品質(zhì)，也成為國際趨勢(shì)，聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）的戰(zhàn)略口號(hào)也從“糧食安全”轉(zhuǎn)變成“糧食和營養(yǎng)安全”。今年中央一號(hào)文件大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，玉米品質(zhì)的“供給側(cè)”改革刻不容緩。

玉米不只是“填飽肚子”的糧食，其深層次、多方向利用價(jià)值有待開發(fā)，玉米的重要營養(yǎng)品質(zhì)急需提高。玉米籽粒中的維生素A 原、維生素E 和油份是對(duì)人類健康和動(dòng)物生長發(fā)育有益的重要品質(zhì)性狀。玉米油富含不飽和脂肪酸，可作健康食用油、高能飼料原料，但從年人均消耗來看，美國2.3公斤，中國僅為0.4公斤。

“玉米重要營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良基因發(fā)掘與分子育種應(yīng)用”項(xiàng)目科研團(tuán)隊(duì)在發(fā)掘玉米重要營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良基因上邁出了重要的一步。他們首次發(fā)現(xiàn)了控制玉米維生素E高含量主效QTL基因ZmVTE4,開發(fā)了提高維生素E含量的功能標(biāo)記，篩選出高維生素的甜玉米新品種5個(gè)；首次克隆了控制維生素A的crtRB1優(yōu)良等位基因，開發(fā)了6個(gè)功能標(biāo)記；發(fā)現(xiàn)了74個(gè)影響總油分和脂肪酸組分及比例的基因，驗(yàn)證了LACS等五個(gè)基因的功能，開發(fā)了相應(yīng)的功能標(biāo)記。

分子育種 玉米育種技術(shù)走出國門

分子育種是育種技術(shù)中的“魔術(shù)”。常規(guī)育種手段定向改良一個(gè)農(nóng)藝性狀,往往要回交6代才能得到理想植株,一般需5到6年。利用分子育種技術(shù),通過早期的基因型選擇,大大縮短育種時(shí)間,也可有效降低田間測(cè)試材料的數(shù)量,節(jié)省很多人力、物力、財(cái)力。相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)育種,分子育種具有準(zhǔn)確的方向性,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了“精確育種”。

玉米起源于美洲大陸，在哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲后逐步走向全世界。大約500年前，玉米通過陸路或海上絲綢之路傳入中國。作為外來品種的玉米，先進(jìn)的育種長期被國際上的大型種子公司壟斷。“玉米重要營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良基因發(fā)掘與分子育種應(yīng)用”項(xiàng)目科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了高維生素A原優(yōu)良等位基因分布的遺傳規(guī)律，提高了國際生物強(qiáng)化項(xiàng)目的育種效率，開創(chuàng)了我國玉米分子育種技術(shù)對(duì)外輸出的先例；挖掘了維生素E優(yōu)良等位基因及功能標(biāo)記，開辟了玉米品質(zhì)育種的新方向；挖掘了油份優(yōu)良等位基因，開啟了玉米油份分子育種的先例。

不僅在玉米分子育種技術(shù)上有突破，“玉米重要營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良基因發(fā)掘與分子育種應(yīng)用”項(xiàng)目科研團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)理論上也進(jìn)行了創(chuàng)新。他們首次提出“優(yōu)良等位基因累加是人工選擇高油玉米的成因”的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，發(fā)表原創(chuàng)性論文37篇，包括SCI引用論文32篇，其中《Nature genetics》論文2篇，總引用813次，他引610次；獲得發(fā)明專利4項(xiàng)，品種權(quán)1項(xiàng)，培育了9個(gè)營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良的玉米新品種和1個(gè)新品系。

創(chuàng)造效益 推廣種植帶動(dòng)農(nóng)民增收

“科學(xué)的唯一目的是減輕人類生存的艱辛?！薄坝衩字匾獱I養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良基因發(fā)掘與分子育種應(yīng)用”項(xiàng)目帶來的不僅先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，還有顯著的社會(huì)效益。

項(xiàng)目的科研團(tuán)隊(duì)注重科技成果的轉(zhuǎn)化，將基礎(chǔ)研究、技術(shù)發(fā)明與育種實(shí)踐緊密結(jié)合，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，創(chuàng)造出令人矚目的社會(huì)效益。項(xiàng)目科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)的分子標(biāo)記在國內(nèi)外育種單位展開應(yīng)用，培育優(yōu)質(zhì)玉米新品種8 個(gè)，其中國審品種4 個(gè)。培育甜玉米新品種累計(jì)推廣354.14萬畝，農(nóng)民累計(jì)新增產(chǎn)值28.33億元，企業(yè)累計(jì)新增利潤4424.4萬元。

科研團(tuán)隊(duì)的帶頭人李建生表示：“未來十年，我希望基礎(chǔ)研究力度更大一些，應(yīng)用研究也更多一些，加強(qiáng)高新技術(shù)的研究，并向種子企業(yè)轉(zhuǎn)移，帶動(dòng)種業(yè)技術(shù)升級(jí)，全面提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?！?/p>

專家簡(jiǎn)介

李建生中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授。主持科技部863項(xiàng)目玉米分子育種課題，支撐計(jì)劃玉米育種課題，國家自然科學(xué)基因重大項(xiàng)目。在《Nature genetics》、《Molecular Breeding》等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文80余篇。參加編寫玉米遺傳育種專著4本。培育玉米新品種10個(gè)，其中國審品種4個(gè)。先后獲得省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)，其中國家科技國家發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，教育部科技發(fā)明一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。