“未來水稻”：你在多遠的未來？

俞慧友

“未來水稻”：你在多遠的未來？

俞慧友

“未來水稻”時代，是個增加了分子生物學技術(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。

第19屆國際植物學大會活動之一的“2017年國家自然科學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？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?！?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。我們在育種實踐中也在逐步使用分子生物學家研究開發(fā)的前沿技術(shù)，比如分子標記輔助育種技術(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。最終目標是為農(nóng)民提供品質(zhì)更好、抗病抗風險能力更強、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的科學家，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)，分子生物學家參與，共同推進新技術(shù)在育種領(lǐng)域的發(fā)展?！?/p>

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?！安贿^，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)廣義上分為分子標記輔助選擇育種和轉(zhuǎn)基因育種兩大類。其中，分子標記輔助選擇育種，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?！罢嬲娜蚪M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?！盎蚓庉嬘N，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3 000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%。當年，一位超級稻科研工作者接受記者采訪時曾表示，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)科院作物科學研究所研究員黎志康也表示，將這3 000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，3 000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3 000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、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所，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。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學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。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所李家洋、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。