有中國(guó)特色的水稻設(shè)計(jì)育種體系建設(shè)探究

方 玉 張 琴 李潛龍 楊慧珍 張從合

（1 上海中科荃銀分子育種技術(shù)有限公司，上海 200030；2 安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜交稻新品種創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088）

“手中有糧、心中不慌在任何時(shí)候都是真理”。我國(guó)是人口大國(guó)，人均農(nóng)業(yè)資源匱乏是我國(guó)最基本的國(guó)情。要保障國(guó)家糧食安全，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興，種業(yè)創(chuàng)新是源頭，需要發(fā)展更加高效和精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)育種[1-2]。然而我國(guó)發(fā)展設(shè)計(jì)育種不能只走“跟跑”的路徑，需要形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的體系。水稻作為我國(guó)最重要的糧食作物，相關(guān)研究取得了世界領(lǐng)先的成果，特別是近年來(lái)我國(guó)科學(xué)家在水稻基因組學(xué)方面取得的成就，使得水稻育種能夠率先開展有中國(guó)特色的設(shè)計(jì)育種體系建設(shè)[3-4]。

1 設(shè)計(jì)育種體系

早在人類還處于簡(jiǎn)單的種植和采收活動(dòng)階段，就已經(jīng)有育種工作的萌芽。選育更適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要的新品種，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的原動(dòng)力之一，也是人類文明進(jìn)步的重要標(biāo)志。盡管雜交、誘變、分子標(biāo)記輔助選擇、單（多）倍體等手段一次又一次地加速了育種工作的效率[5]，但是隨著極端氣候頻發(fā)、耕作制度和消費(fèi)方式的不斷變化等因素的日益復(fù)雜，當(dāng)然還有人類從未徹底征服的饑荒，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)新品種的性狀要求和選育這些品種的效率也提出了更高的需求，要解決這些問(wèn)題只能依靠設(shè)計(jì)育種。

設(shè)計(jì)育種，顧名思義就是強(qiáng)調(diào)了育種工作的可設(shè)計(jì)性、精確性和高效性。很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，育種家在育種過(guò)程中，也進(jìn)行了精心地設(shè)計(jì)。如：利用有互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)的材料對(duì)目標(biāo)性狀的定向改良，甚至在水稻中能將高配合力的兩系恢復(fù)系改造成三系不育系等[6-7]。然而在傳統(tǒng)育種過(guò)程中，要高效地選育綜合性狀優(yōu)異的品種，需要育種家有極為豐富的田間經(jīng)驗(yàn)積累，且田間雜交和篩選工作量巨大，成功的概率極低。這也導(dǎo)致，我國(guó)育種家隊(duì)伍規(guī)模世界第一，但種業(yè)發(fā)展仍落后于跨國(guó)公司[8]。萬(wàn)建民院士曾于2006 年提出了作物分子設(shè)計(jì)育種的概念：是在龐大的生物信息和育種家的需求之間搭起一座橋梁，在育種家的田間試驗(yàn)之前，對(duì)育種程序中的各種因素進(jìn)行模擬篩選和優(yōu)化，提出最佳的親本選配和后代選擇策略[9]。然而，雙親基因組互作產(chǎn)生的雜種優(yōu)勢(shì)遺傳機(jī)理一直以來(lái)不完全清楚[10]，以及田間經(jīng)驗(yàn)豐富的傳統(tǒng)育種家對(duì)設(shè)計(jì)育種接受需要過(guò)程等因素制約了設(shè)計(jì)育種的發(fā)展。隨著全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS，Genome-wide association studies）、基因編輯等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是韓斌院士等于2016 年綜合利用基因組學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)及計(jì)算生物學(xué)領(lǐng)域的最新技術(shù)手段闡明了水稻雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳機(jī)制后[11]，以基因組指導(dǎo)下的設(shè)計(jì)育種得到了育種家們更廣泛的認(rèn)可，也使得設(shè)計(jì)育種，特別是水稻的設(shè)計(jì)育種從理論研究真正地走向了生產(chǎn)實(shí)際。李家洋院士等于2018 年提出分子設(shè)計(jì)育種是在解析作物重要農(nóng)藝性狀形成的分子機(jī)理的基礎(chǔ)上[1]，通過(guò)品種設(shè)計(jì)對(duì)多基因復(fù)雜性狀進(jìn)行定向改良，以達(dá)到綜合性狀優(yōu)異的目標(biāo)。所以，設(shè)計(jì)育種不僅是一種新的育種方法，而是在基礎(chǔ)理論突破后，整合育種創(chuàng)新鏈上各要素而形成的高效精準(zhǔn)育種體系，并能通過(guò)該體系選育出符合產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)需求的新品種。當(dāng)然，這仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的結(jié)合，更需要以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向的科企多單位的緊密協(xié)同。

2 為什么要建設(shè)有中國(guó)特色水稻設(shè)計(jì)育種體系

種業(yè)是國(guó)家戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)。然而由于我國(guó)種業(yè)市場(chǎng)開放得晚，導(dǎo)致我國(guó)種業(yè)整體實(shí)力與國(guó)家發(fā)展的要求仍有差距[12]。為此，我國(guó)出臺(tái)了一系列促進(jìn)民族種業(yè)發(fā)展的政策，特別是《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)作物種業(yè)發(fā)展的意見》（國(guó)發(fā)〔2011〕8 號(hào)）頒布以來(lái)，種業(yè)發(fā)展獲得了較好的政策環(huán)境。然而，種業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“芯片”，種業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)核心是科技的競(jìng)爭(zhēng)[13]，更是科技如何引領(lǐng)支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)。盡管我國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技創(chuàng)新取得了令人矚目的歷史性成就，但在當(dāng)前世界種業(yè)熱門的轉(zhuǎn)基因技術(shù)（含基因編輯技術(shù)）等方面核心底盤技術(shù)都非我國(guó)原創(chuàng)，且科技與經(jīng)濟(jì)“兩張皮”的現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重。因此，要實(shí)現(xiàn)我國(guó)種業(yè)的跨越式發(fā)展，必須要基于有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心基礎(chǔ)研究成果搭建起一套引領(lǐng)支撐種業(yè)發(fā)展的商業(yè)化設(shè)計(jì)育種體系。以此拓展我國(guó)種業(yè)走向現(xiàn)代化的途徑，同時(shí)向世界種業(yè)貢獻(xiàn)中國(guó)智慧、提供中國(guó)方案。

中國(guó)雜交水稻技術(shù)世界領(lǐng)先，也是最耀眼的中國(guó)名片之一。我國(guó)科學(xué)家在水稻基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化研究方面均取得了舉世矚目的成就。2017 年2 月國(guó)際著名期刊Nature Plants 發(fā)表的A Chinese renaissance 專評(píng)文章認(rèn)為，中國(guó)已經(jīng)引領(lǐng)水稻乃至作物生物學(xué)、遺傳學(xué)和基因組學(xué)研究[14]。韓斌院士等研究成果“揭示水稻產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢(shì)的分子遺傳機(jī)制”獲得2016 年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展，李家洋院士等研究成果“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機(jī)理及品種設(shè)計(jì)”榮獲2017 年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，韓斌院士等于2019 年開發(fā)了一種新的數(shù)量性狀定位（QTL，Quantitative trait locus）方法為雜種優(yōu)勢(shì)育種和品種改良提供了新的策略[15]等等，這些基礎(chǔ)研究成果為我國(guó)建設(shè)水稻設(shè)計(jì)育種體系奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在產(chǎn)業(yè)化研究方面，自20 世紀(jì)70 年代開始，我國(guó)育種學(xué)家率先開展了水稻雜種優(yōu)勢(shì)利用研究，陸續(xù)通過(guò)三系法、兩系法等途徑培育出大量雜交水稻品種。近年來(lái)，隨著我國(guó)水稻種業(yè)企業(yè)科研能力得到快速地提升，隆平高科、荃銀高科等公司在水稻種質(zhì)資源創(chuàng)新、新品種選育和推廣方面取得了較為顯著的成績(jī)，進(jìn)一步強(qiáng)化了企業(yè)作為我國(guó)種業(yè)科技創(chuàng)新主體的地位[16]。

回顧我國(guó)雜交水稻的發(fā)展歷程，發(fā)揮制度優(yōu)勢(shì)，開展“大聯(lián)合、大攻關(guān)”是成功的關(guān)鍵因素。新時(shí)代條件下，因企業(yè)的參與賦予了“大聯(lián)合、大攻關(guān)”更深層次的的豐富內(nèi)涵。在政府推動(dòng)下的科企深度融合為建設(shè)有中國(guó)特色水稻設(shè)計(jì)育種體系提供了路徑，并能讓這一成果直接地服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。最終通過(guò)在水稻育種領(lǐng)域的成功，引領(lǐng)其他作物，甚至畜禽的設(shè)計(jì)育種工作。

3 如何建設(shè)有中國(guó)特色水稻設(shè)計(jì)育種體系

建設(shè)有中國(guó)特色的水稻設(shè)計(jì)育種體系，涉及到政產(chǎn)學(xué)研各個(gè)環(huán)節(jié)，不僅僅是農(nóng)業(yè)科技的創(chuàng)新，更是協(xié)同攻關(guān)過(guò)程中體制機(jī)制的創(chuàng)新。需要以我國(guó)世界領(lǐng)先的水稻基因組學(xué)研究成果為核心，以商業(yè)化應(yīng)用為目標(biāo)，形成從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究打通創(chuàng)新鏈，從東北到華南再到海外覆蓋整個(gè)水稻生態(tài)區(qū)，從稻米品質(zhì)到綠色發(fā)展協(xié)同多性狀研究的創(chuàng)新大布局。

在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的支持下，國(guó)家水稻商業(yè)化分子育種技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟（以下簡(jiǎn)稱“6+1 聯(lián)盟”）2016 年8 月成立。6+1 聯(lián)盟以“立足分子技術(shù)、著眼設(shè)計(jì)育種、創(chuàng)新合作機(jī)制、實(shí)現(xiàn)共贏發(fā)展”為宗旨，以“整合、借力、合作、共贏”為理念聚合了中國(guó)科學(xué)院韓斌院士、中國(guó)科學(xué)院李家洋院士、中國(guó)工程院胡培松院士，以及傅向東研究員、儲(chǔ)成才研究員、吳躍進(jìn)研究員、李澤福研究員、李仕貴教授、王豐研究員等研究團(tuán)隊(duì)和荃銀高科水稻商業(yè)化育種團(tuán)隊(duì)。以水稻雜種優(yōu)勢(shì)的全基因組解析這一科學(xué)問(wèn)題為核心，以“好種、好吃”的商業(yè)化應(yīng)用為導(dǎo)向，發(fā)揮各團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)，初步搭建起有中國(guó)特色的水稻設(shè)計(jì)育種體系V1.0 版本。隨后，為落實(shí)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于聯(lián)盟機(jī)制創(chuàng)新的要求，也是各團(tuán)隊(duì)在協(xié)同創(chuàng)新過(guò)程中的自發(fā)需求，6+1 聯(lián)盟內(nèi)的科研單位、科研人員自然人和企業(yè)共同投資設(shè)立了6+1 聯(lián)盟“實(shí)體化”運(yùn)作平臺(tái)：上海中科荃銀分子育種技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“中科荃銀”）。通過(guò)“利益共享、風(fēng)險(xiǎn)同擔(dān)”把各方緊密地綁定在一起，持續(xù)深入地開展合作。當(dāng)然，在實(shí)體化過(guò)程中，也面臨著諸多問(wèn)題，例如科技人員不能、也不敢到企業(yè)持股和兼職等。6+1 聯(lián)盟聘請(qǐng)專業(yè)法律顧問(wèn)，與各團(tuán)隊(duì)及所在單位進(jìn)行多次溝通，并根據(jù)不同單位的實(shí)際情況進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過(guò)多層次、多形式的制度設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了中科荃銀的順利落地。在中科荃銀的揭牌儀式上，得到了韓斌院士、陳曉亞院士、林鴻宣院士、胡培松院士、錢前院士等知名專家，以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、上海市有關(guān)部門的領(lǐng)導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)支持，在種業(yè)界引起了巨大的反響。中科荃銀的落地也是中國(guó)特色的水稻設(shè)計(jì)育種體系V2.0 版本的形成。

目前，6+1 聯(lián)盟已經(jīng)形成了一系列的研究成果。《一種利用水稻基因組學(xué)技術(shù)快速精準(zhǔn)選育三系水稻恢復(fù)系的方法》《一種利用水稻基因組學(xué)技術(shù)快速精準(zhǔn)選育三系水稻不育系的方法》《一種快速精準(zhǔn)選育優(yōu)質(zhì)抗病水稻品種的方法》等方法已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利并指導(dǎo)實(shí)際育種工作。聯(lián)盟圍繞荃9311A、滬科1A 等核心育種材料，通過(guò)全基因組解析，根據(jù)公司的需求提出材料改良和配組方案；各科學(xué)家團(tuán)隊(duì)結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，利用已知的功能基因，在不同生態(tài)區(qū)域開展相關(guān)材料改良和配組工作，高效地選育出系列強(qiáng)優(yōu)勢(shì)的或者適合不同產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的新品種等等。這些深受種業(yè)企業(yè)和老百姓歡迎的新品種和新技術(shù)，不僅服務(wù)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也讓更多的科學(xué)家、企業(yè)家和農(nóng)民認(rèn)識(shí)到建設(shè)中國(guó)特色水稻設(shè)計(jì)育種體系的可行性，堅(jiān)定了大家的決心。2020年1 月，6+1 聯(lián)盟被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部認(rèn)定為“首批國(guó)家農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新聯(lián)盟”，同時(shí)也是首批認(rèn)定的“標(biāo)桿聯(lián)盟”。

未來(lái)，6+1 聯(lián)盟將全力支持中科荃銀的建設(shè)發(fā)展工作。進(jìn)一步優(yōu)化聯(lián)盟內(nèi)的機(jī)制創(chuàng)新工作，以該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)盟內(nèi)的創(chuàng)新資源暢享，承載聯(lián)盟最新研究成果并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，促進(jìn)聯(lián)盟技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)的再升級(jí)。以持續(xù)的技術(shù)聯(lián)合攻關(guān)和機(jī)制創(chuàng)新，努力將其打造成為國(guó)際一流的農(nóng)作物分子育種技術(shù)公司，做全球雜交水稻技術(shù)的創(chuàng)新者和引領(lǐng)者，最終實(shí)現(xiàn)中國(guó)特色的水稻設(shè)計(jì)育種體系V3.0、V4.0 版本！

4 討論

萬(wàn)建民院士在提出作物分子設(shè)計(jì)育種的概念時(shí)指出：我們應(yīng)該把握機(jī)遇，充分利用植物基因組學(xué)和生物信息學(xué)等前沿學(xué)科的重大成就，及時(shí)開展品種分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)平臺(tái)建設(shè)[9]。設(shè)計(jì)育種是一個(gè)綜合性的新興研究領(lǐng)域，對(duì)中國(guó)種業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)這是一次難得的機(jī)遇，更是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。建設(shè)有中國(guó)特色的水稻設(shè)計(jì)育種體系，不僅有世界領(lǐng)先的研究基礎(chǔ)，也有越來(lái)越開明開放的政策保障；能實(shí)現(xiàn)中國(guó)水稻種業(yè)的世界影響力得到進(jìn)一步提升，更能帶動(dòng)民族種業(yè)迎來(lái)跨越式的發(fā)展。與此同時(shí)，我們也要深刻地認(rèn)識(shí)到建設(shè)有中國(guó)特色的水稻設(shè)計(jì)育種體系，不僅面臨著復(fù)雜的科研風(fēng)險(xiǎn)，也有待完善制度形成的種種制約；需要政產(chǎn)學(xué)研深度融合，更要在全社會(huì)形成一個(gè)尊重知識(shí)、尊重人才的良好氛圍。

2020 年兩會(huì)期間，習(xí)近平總書記再次強(qiáng)調(diào)了，“中國(guó)人的飯碗任何時(shí)候都要牢牢地端在自己的手上，飯碗里主要裝中國(guó)糧”。新時(shí)代建設(shè)有中國(guó)特色的水稻設(shè)計(jì)育種體系，還需要科學(xué)家們繼承20 世紀(jì)雜交水稻“大聯(lián)合、大攻關(guān)”時(shí)的光榮傳統(tǒng)，以時(shí)不我待之緊迫，以舍我其誰(shuí)之擔(dān)當(dāng)，勇于創(chuàng)新，持續(xù)創(chuàng)新，在振興民族種業(yè)道路上書寫科學(xué)報(bào)國(guó)最美的篇章！