大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化的對策研究

■ 陳慶山 楊明亮 武小霞

中國作為人口大國，歷來重視糧食安全問題。種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，種子安全是糧食安全的基礎(chǔ)。近些年來，我國農(nóng)作物品種選育取得了較大的進步。生產(chǎn)上，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的品種種植面積超過了95%，兩大口糧作物水稻、小麥品種完全做到了自給，玉米、大豆種源也有保障。大豆品種種子雖然能完全自給，但國際競爭力卻不強，核心還是存在著種質(zhì)資源創(chuàng)新不足、品種單產(chǎn)水平低、技術(shù)創(chuàng)新能力弱等問題。

國家在反復(fù)強調(diào)解決作物種質(zhì)資源創(chuàng)新和種子“卡脖子”問題。2020年12月召開的中央經(jīng)濟工作會議鄭重提出“解決好種子和耕地問題。保障糧食安全，關(guān)鍵在于落實藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略?！贬槍ΨN質(zhì)資源保護和利用、種子庫建設(shè)、生物育種等關(guān)鍵要素都進行了闡述。2021 年2 月21 日出臺的中央一號文件，進一步強化了“打好種業(yè)翻身仗”的戰(zhàn)略部署，明確指出加強農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護開發(fā)利用，實施農(nóng)業(yè)生物育種重大科技項目。對于原有優(yōu)勢作物要加快優(yōu)異品種選育保持競爭力。對于大豆要加快高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和多抗食用型新品種選育。2021年全國“兩會”上，多名代表都反復(fù)提及作物種質(zhì)資源保護利用、種子和種業(yè)的發(fā)展問題。因此，對于大豆來說，確保安全首先要做的是種質(zhì)資源搜集、保存和精準(zhǔn)評價；其次是種質(zhì)資源創(chuàng)新和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種選育；第三是種子的安全生產(chǎn)和種業(yè)的發(fā)展問題；最后是品種的生產(chǎn)推廣和商品糧的供應(yīng)鏈。加快大豆種質(zhì)資源評價創(chuàng)新體系完善和突破性新品種選育進程，實現(xiàn)“打好種業(yè)翻身仗”的預(yù)期目標(biāo)，有序推進大豆生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推動國內(nèi)大豆種業(yè)“航母”的形成，確保中國碗主要裝中國糧、中國糧主要用中國種。

一、大豆種質(zhì)資源鑒定和品種研發(fā)現(xiàn)狀

第一，大豆種質(zhì)資源搜集保存數(shù)量豐富。中國是大豆起源地，具有豐富的野生、半野生和栽培大豆種質(zhì)資源。1949年以來，我國組織專家于1956 年、1979 年和1990 年共進行了三次全國范圍收集，共收集栽培大豆品種資源23000 多份，并編輯成冊。至今，《中國大豆品種資源目錄》已出版4冊，編入大豆品種28579份，其中國內(nèi)品種25361份，引進品種3218份，收錄審定品種（至2014年）3168份。這些材料主要保存在中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所的世界最大的大豆種質(zhì)資源庫中。

中國是大豆的故鄉(xiāng) （資料圖）

第二，大豆核心種質(zhì)構(gòu)建系統(tǒng)深入。中國大豆科技人員對《中國大豆品種資源目錄》的大豆品種都進行了主要農(nóng)藝性狀的調(diào)查記載。因為大豆種質(zhì)資源過多，難以全部利用，為了在育種和研究中可以選擇性地利用有代表性的材料，中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所牽頭構(gòu)建了大豆核心種質(zhì)，用最小的樣本代表其全部遺傳資源的最大遺傳多樣性。栽培大豆上，針對23587份材料構(gòu)建了2794份材料的初選核心種質(zhì)。又利用14個農(nóng)藝性狀、60個SSR位點分別建立了微型核心種質(zhì)和應(yīng)用核心種質(zhì)。他們又進一步與吉林省農(nóng)科院合作，構(gòu)建了野生大豆和栽培大豆的總體核心種質(zhì)，取樣數(shù)為2660份（野生大豆703 份，栽培大豆1957 份）。與種質(zhì)資源總體比較，核心種質(zhì)的農(nóng)藝性狀表型值的符合度為98.3%。

第三，大豆優(yōu)異性狀持續(xù)精準(zhǔn)挖掘。中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所一直在組織大豆生產(chǎn)三大生態(tài)區(qū)的科研單位，對代表性栽培大豆種質(zhì)資源開展多年多點性狀調(diào)查，完成大豆重要農(nóng)藝性狀的精準(zhǔn)鑒定，獲得了一系列高產(chǎn)、早熟、高蛋白、高油等優(yōu)異種質(zhì)資源。在此基礎(chǔ)上，大豆基因組測序也帶動了我國大豆基因發(fā)掘研究，已先后有幾千份種質(zhì)資源完成基因組重測序。同時，中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所針對不同研究方向的需求，開發(fā)出高通量、功能型的SNP育種芯片3套。因此，系統(tǒng)開展我國大豆的精準(zhǔn)表型鑒定和規(guī)模化基因型鑒定，將有助于我國大豆優(yōu)異種質(zhì)和基因資源的創(chuàng)新、發(fā)掘和利用。

第四，我國大豆品種研發(fā)數(shù)量多，基本可以保證自足。大豆育種的重要目標(biāo)是高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，目前我國主要通過系統(tǒng)選育、雜交育種、輻射育種、化學(xué)誘變育種、分子輔助育種等方法來進行大豆種質(zhì)創(chuàng)新。總體來看，我國大豆品種數(shù)量多，但大品種數(shù)量少。2018年我國大豆主產(chǎn)區(qū)推廣面積10萬畝以上品種231個，較2017年增加21個，累積推廣面積9713萬畝。其中北方春大豆品種123個，黃淮海夏大豆品種72個，南方多熟制大豆品種36個；主推品種面積占我國種植面積的85.3%。其中：推廣面積200萬畝以上品種有6 個，累積推廣面積2541 萬畝；推廣面積100萬～199萬畝品種有13個，累積推廣面積1731萬畝；推廣面積50 萬～99 萬畝品種有23 個，累積推廣面積1560 萬畝；推廣面積20 萬～49 萬畝的品種有85 個，累積推廣面積2569 萬畝；推廣面積10 萬～19 萬畝的品種96 個，累積推廣面積1312 萬畝。這些品種具有熟期適中、穩(wěn)產(chǎn)性好、適應(yīng)性廣、耐逆性強、子粒商品性優(yōu)等特點。

二、大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新與品種研發(fā)存在的瓶頸

第一，大豆種質(zhì)資源保護、鑒定和利用創(chuàng)新性不足。首先，我國作為大豆起源地，野生大豆資源豐富，但隨著社會和農(nóng)業(yè)發(fā)展，野生大豆的生物多樣性和原生態(tài)分布受到較為嚴(yán)重的破壞。其次，在大豆馴化和人工選擇過程中產(chǎn)生了大量的農(nóng)家種，這些種質(zhì)中含有與大豆馴化、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)等性狀相關(guān)的基因資源，但目前對農(nóng)家種重視和利用不夠充分。再次，大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新性有待于進一步提高，需要不斷通過新的方法和思路，能夠產(chǎn)生新的性狀組合，為新品種的選育提供優(yōu)異遺傳材料。最后，不同區(qū)域特殊的氣候條件，形成了獨特的種質(zhì)資源類型，這些地區(qū)種質(zhì)資源必須經(jīng)過改良才能應(yīng)用。

第二，大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新平臺建設(shè)不足。我國現(xiàn)有大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新平臺主要針對傳統(tǒng)大豆品種選育流程，與現(xiàn)代數(shù)字化、智能化大豆資源創(chuàng)新和品種選育脫節(jié)。傳統(tǒng)的作物育種表型分析規(guī)模小、效率低、誤差大，已成為制約功能基因組學(xué)和分子設(shè)計育種發(fā)展的瓶頸。在大豆品種研發(fā)過程中，表型獲取的精準(zhǔn)鑒定缺乏自動化表性研究手段和平臺，研究效率低，亟須升級，因此，高通量、全方位、自動化的作物表型組獲取將成為大豆育種技術(shù)提升的關(guān)鍵。

第三，大豆優(yōu)異品系鑒定機制不完善。大豆重要農(nóng)藝性狀，包括高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、耐逆等性狀均為數(shù)量性狀，調(diào)控這些性狀的主效基因較多，且存在明顯的基因與環(huán)境條件互作。選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐逆性強的大豆優(yōu)良品系，需要在不同環(huán)境條件下進行多代表型鑒定，因此，對大豆優(yōu)異品系進行多年多點聯(lián)合鑒定顯得尤為重要。但國內(nèi)大豆品系多年多點鑒定工作大多是各個育種單位獨立進行，信息溝通不暢，數(shù)據(jù)難以共享；各育種單位單獨選點，地點代表性也受到限制；多年多點鑒定的技術(shù)人員和管理人員水平參差不齊，很難保證鑒定結(jié)果的科學(xué)性和穩(wěn)定性，鑒定數(shù)據(jù)參考價值有待于進一步提高。這些問題嚴(yán)重制約了優(yōu)異品系鑒定和優(yōu)良大豆品種培育。

第四，大豆優(yōu)異品種選育的技術(shù)瓶頸。首先，大豆育種骨干親本相對單一，用于大豆新品種選育的種質(zhì)資源相對貧乏，品種遺傳基礎(chǔ)狹窄，品種產(chǎn)量潛力低，品質(zhì)性狀不能滿足市場需求。其次，我國各育種單位的育種方式大部分停留在雜交育種和育種家人工選擇，生物技術(shù)手段利用與常規(guī)育種基本脫節(jié)，針對重要農(nóng)藝性狀的控制基因和網(wǎng)絡(luò)不能精細解析，很難實現(xiàn)優(yōu)異等位基因的聚合和利用。最后，各育種單位育種平臺構(gòu)建缺少頂層設(shè)計，精準(zhǔn)表型研究缺少創(chuàng)新技術(shù)，很難在生物育種中實現(xiàn)“從0到1”的原始創(chuàng)新引領(lǐng)。

三、大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化的解決對策

第一，加強大豆種質(zhì)資源保護、評價和創(chuàng)新。首先，應(yīng)在我國建立多元化的種質(zhì)資源庫，在農(nóng)科院系統(tǒng)原有體系基礎(chǔ)上建立作物種質(zhì)資源總庫，依托高校建立創(chuàng)新資源和基因庫，依托種業(yè)企業(yè)建設(shè)作物優(yōu)異品系和品種庫。其次，加快大豆種質(zhì)資源評價進程。利用最新的表型技術(shù)，加大對種質(zhì)資源的性狀評價和遺傳研究，利用多組學(xué)技術(shù)發(fā)掘現(xiàn)有種質(zhì)的價值和新的基因源，探明其遺傳基礎(chǔ)，不斷地提供超高產(chǎn)育種的供體親本。最后，完善大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新體系。利用雜交、回交、誘變和生物技術(shù)手段，加快新群體和新類型材料創(chuàng)制。如染色體回交導(dǎo)入系、巢式關(guān)聯(lián)作圖群體、多親本高世代互交群體和大豆突變體庫等，用于優(yōu)良性狀的選擇和基因功能解析。

第二，建立多環(huán)境大豆品種、品系鑒定體系。依托種業(yè)和政府管理部門，建立一套統(tǒng)一的大豆優(yōu)異品系多年多點鑒定體系。在代表性地塊選擇、人員配置、經(jīng)費預(yù)算、管理制度等方面都要統(tǒng)一部署，每年認(rèn)真評價鑒定有效性，這樣才有利于大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新成果快速轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力，加快大豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在鑒定的同時，各個區(qū)域設(shè)置展示田，基于“良種+良法=高產(chǎn)高效”的理念，打造節(jié)本增效高產(chǎn)環(huán)保型精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范技術(shù)體系，加快大豆優(yōu)異品種推廣，逐步實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培技術(shù)集成，形成高效的智慧農(nóng)業(yè)種植模式。

第三，建立高效大豆生物育種平臺。建議依托“高?！蒲性核N業(yè)”三個體系融合構(gòu)建“五級生物育種平臺”。一是構(gòu)建雜交育種平臺。在種質(zhì)資源創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，通過雜交引入變異，為優(yōu)異品系品種選擇奠定材料基礎(chǔ)。二是建立分子育種平臺。以高校和種業(yè)為基礎(chǔ)，利用高校研發(fā)技術(shù)和人才儲備構(gòu)建高通量核酸提取、測序及分子標(biāo)記平臺等，實現(xiàn)分子輔助育種、全基因組選擇分析、基因編輯等技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)結(jié)合，在后代材料中固定優(yōu)異等位基因。三是建立表型分析平臺。在室內(nèi)建立高通量表型精準(zhǔn)鑒定平臺，包括便攜式植物表型平臺、臺式植物表型平臺、傳送帶式植物表型平臺等，實現(xiàn)常年穩(wěn)定的大豆表型收集和分析。在室外，建立田間高通量表型平臺，通過無人機平臺組成天網(wǎng)系統(tǒng)，配合由地面手持設(shè)備、長期監(jiān)測設(shè)備等組成的地網(wǎng)系統(tǒng)，組建大田作物的天地網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，為大豆生長發(fā)育研究提供快速、精準(zhǔn)的方案。四是建立生理育種平臺。依托前面的大豆表型分析平臺，配備專業(yè)設(shè)備和傳感器，研究個體和群體的生理生化指標(biāo)，定性、定量分析特定品種作物在特定環(huán)境下所表現(xiàn)的農(nóng)藝性狀，篩選抗逆性好、穩(wěn)產(chǎn)性好和高效的品種品系。五是建立生態(tài)育種平臺。結(jié)合以上平臺研究進展，依托大尺度測量手段，對大豆生態(tài)適應(yīng)性和群體綜合性狀進行廣泛研究，結(jié)合品質(zhì)分析、抗性分析等檢測手段獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣適應(yīng)性的大品種。通過這個平臺建設(shè)，實現(xiàn)萬建民院士提出的種業(yè)“生物技術(shù)+人工智能+大數(shù)據(jù)信息技術(shù)”的育種“4.0時代”。

第四，生物育種產(chǎn)業(yè)發(fā)展的軟條件建設(shè)。首先，要依托農(nóng)業(yè)科研企事業(yè)單位，尤其是農(nóng)業(yè)高校加強種業(yè)人才的培養(yǎng)。當(dāng)前國內(nèi)農(nóng)業(yè)人才不多，很多學(xué)農(nóng)的人才都轉(zhuǎn)到生物研究，基層農(nóng)業(yè)人才開始出現(xiàn)斷層。生物育種人才更是達到了稀缺的程度，一個優(yōu)秀育種人員的培養(yǎng)不僅僅要有高學(xué)歷，還要有多年的生物育種實踐。因此國家和省市需要在多個層面加大人才引進和培養(yǎng)力度，一定要引培并舉，重在本土化、區(qū)域化發(fā)展。其次，要健全商業(yè)化育種體系，強化產(chǎn)學(xué)研深度融合的技術(shù)創(chuàng)新體系，建立“高校—科研單位—種業(yè)”人才、成果共享機制，減少交流瓶頸，保障三者良性互動，促進科企合作。最后，要強化農(nóng)業(yè)和種業(yè)發(fā)展密切相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)保護。大豆是自交作物，種業(yè)發(fā)展空間很小，知識產(chǎn)權(quán)保護與種業(yè)安危息息相關(guān)。要逐步建立國家種業(yè)知識產(chǎn)權(quán)強制保護制度和國家種業(yè)知識產(chǎn)權(quán)公益保護制度，健全種業(yè)知識產(chǎn)權(quán)保護的法治環(huán)境，嚴(yán)厲打擊侵權(quán)行為，才能保證種業(yè)健康有序發(fā)展。