破解水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)“密碼”
“多快好省”培育一粒“黃金”種子
——記國家自然科學(xué)獎一等獎“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”
本報記者 馬愛平
一粒種子可以改變世界，然而如何才能“多快好省”地培育出一粒高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)的“黃金”種子？
中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋課題組、中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院韓斌課題組和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所錢前課題組經(jīng)過了20多年的密切合作、協(xié)同創(chuàng)新，給出了答案——這粒種子可以在“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”項目中找到。
2018年伊始，李家洋團(tuán)隊完成的該項目被授予2017年度國家自然科學(xué)獎一等獎。
育種學(xué)家是站在農(nóng)業(yè)科技的最前沿，在水稻領(lǐng)域，為了突破產(chǎn)量瓶頸，育種家提出了理想株型的概念。
“對水稻來說，高產(chǎn)的往往有品質(zhì)差、抗病蟲害能力低的問題，但有些性狀好的水稻卻常常不會太高產(chǎn)。‘秈稻的產(chǎn)量,粳稻的品質(zhì)’，即培育出分蘗數(shù)適宜、莖稈強(qiáng)壯、穗大粒多的高產(chǎn)理想株型品種，同時又具有優(yōu)良的食用品質(zhì)——就是我們團(tuán)隊夢寐以求的‘理想型’水稻。”李家洋說。
而傳統(tǒng)的雜交育種方式周期長，育成一個新品種往往需要10年以上，并面臨著品種間遺傳多樣性狹窄、效率低等問題。遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和基因組學(xué)的發(fā)展為育種學(xué)家用“魔術(shù)之手”變出“理想型”水稻帶來了希望。
在20年間，李家洋團(tuán)隊采用了一種和轉(zhuǎn)基因技術(shù)不相同的育種路線——通過品種設(shè)計進(jìn)行多基因復(fù)雜性狀的定向改良，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。
“轉(zhuǎn)基因技術(shù)是通過基因轉(zhuǎn)化技術(shù)將外源基因轉(zhuǎn)到待改良的目標(biāo)材料中，但品種設(shè)計育種中所需要的所有基因都是水稻基因，只是通過分子技術(shù)手段進(jìn)行檢測，來決定哪些基因是我們需要的、哪些基因是不需要的。”韓斌說，這就像搭積木，他們有針對性地選擇需要的“積木”，更快更好地搭建出需要的“建筑”。
具體來看，李家洋團(tuán)隊育種路線是這樣的：高效發(fā)掘利用水稻優(yōu)異種質(zhì)資源，搞清楚水稻產(chǎn)量和品質(zhì)等復(fù)雜農(nóng)藝性狀形成的分子基礎(chǔ)與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、繼而進(jìn)行水稻分子設(shè)計育種，在此基礎(chǔ)上建立了分子設(shè)計育種的理論與技術(shù)體系。
這些理論和技術(shù)體系讓團(tuán)隊走在了世界育種前列，并找到了一個理想株型形成的關(guān)鍵基因——IPA1。這項成果在水稻株型研究領(lǐng)域中引起震動，入選“2010年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”。
“此后，我們挖掘了多個有應(yīng)用價值的IPA1優(yōu)異等位變異，利用分子標(biāo)記輔助選擇等方法，將理想株型基因?qū)雰?yōu)質(zhì)秈稻和粳稻骨干親本，向國內(nèi)水稻育種單位發(fā)放理想株型種質(zhì)2000余份次。”錢前說。
夢想照進(jìn)了現(xiàn)實。團(tuán)隊找到了水稻質(zhì)與量的“完美協(xié)調(diào)”后，終于育成了“理想型”水稻——“嘉優(yōu)中科”系列水稻新品種。
這些品種具有株高適宜、分蘗適中、無效分蘗很少、莖稈粗壯、根系發(fā)達(dá)等明顯的理想株型特征，且熟期早，抗逆性強(qiáng)，增產(chǎn)效果顯著，萬畝示范平均產(chǎn)量比當(dāng)?shù)刂髟云贩N增產(chǎn)20%以上，且適合機(jī)械化或直播等高效、輕簡的栽培方式。這既是水稻超高產(chǎn)和抗性提升的完美結(jié)合，又實現(xiàn)了水稻種植區(qū)域北移，在長江中下游地區(qū)有著廣闊的推廣前景。
“與發(fā)達(dá)國家相比，我國農(nóng)業(yè)育種技術(shù)還有明顯差距。但是，我國在現(xiàn)代育種理論上已經(jīng)走在世界前列，未來我們將更多致力于育種實踐，要把這種先進(jìn)育種理念變成更多產(chǎn)品，保障我國糧食安全。”李家洋說。
