【編者按】 黨的二十大報(bào)告指出，全方位夯實(shí)糧食安全根基，牢牢守住十八億畝耕地紅線，確保中國(guó)人的飯碗牢牢端在自己手中。糧食生產(chǎn)事關(guān)國(guó)計(jì)民生，糧食安全是國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)。如何深挖“藏糧于技”的潛能，為糧食安全撐起“科技之傘”，江蘇科技工作者們一直在奮力前行。近日，記者走進(jìn)江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的省農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫(kù)和江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，探尋科技賦能保障糧食安全背后的故事。
稀缺種子應(yīng)收盡收，只為發(fā)掘種質(zhì)優(yōu)良基因
紫桃，一種果皮和果肉都是紫紅色的桃子，這一品種因?yàn)樾《?，在省?nèi)栽培上百年來(lái)一度鮮有人問(wèn)津。經(jīng)過(guò)搶救性收集后，現(xiàn)如今，紫桃已變成農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2022年第一批農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志登記產(chǎn)品。“紫桃中含有一種健康成分‘花色素苷’，它的抗氧化功效比藍(lán)莓更強(qiáng)，符合大眾對(duì)健康營(yíng)養(yǎng)的追求，一度賣(mài)到脫銷(xiāo)。”江蘇省農(nóng)科院果樹(shù)所桃資源專(zhuān)家嚴(yán)娟博士介紹說(shuō)，收集的初心旨在發(fā)掘種質(zhì)的優(yōu)良基因。
嚴(yán)娟口中的“搶救性收集”是江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院一項(xiàng)歷時(shí)6年的全省農(nóng)作物種質(zhì)資源普查與收集行動(dòng)。10月17日，記者了解到，目前該行動(dòng)告一段落，全省60個(gè)普查縣（市、區(qū)）共2224名普查人員通過(guò)查閱資料、走訪干部群眾、咨詢相關(guān)專(zhuān)家等形式，共收集資源樣本3446份，包含糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜作物、果樹(shù)、牧草綠肥等五大類(lèi)作物，涉及植物46個(gè)科、118個(gè)屬、165個(gè)種，基本做到“應(yīng)收盡收”。
“江蘇位于我國(guó)南北氣候過(guò)渡地帶，生態(tài)類(lèi)型多樣，是我國(guó)作物種質(zhì)資源比較豐富的地區(qū)之一。”江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長(zhǎng)黃俊說(shuō)，近年來(lái)受氣候、耕作制度和農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)方式的變化影響，大量地方品種迅速消失。“全面普查我省農(nóng)作物種質(zhì)資源，搶救性收集和保護(hù)珍稀、瀕危作物野生種質(zhì)資源和特色地方品種，對(duì)保護(hù)我省農(nóng)作物種質(zhì)資源的多樣性、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、推動(dòng)種業(yè)創(chuàng)新具有重要意義。”
據(jù)介紹，目前所有征集、收集的資源樣本經(jīng)過(guò)繁殖鑒定，都已經(jīng)移交國(guó)家種質(zhì)庫(kù)(圃)，圓滿完成了本次普查與收集行動(dòng)任務(wù)。“此次行動(dòng)搶救保護(hù)了一批地方特色資源，包括許多珍稀的特色資源，如柿樹(shù)野生變種桂五野柿子、小果型花生八集小花生、‘大紫紅’蓮藕等。”黃俊補(bǔ)充道。
“資源調(diào)查最基礎(chǔ)的工作是摸清家底，最大的問(wèn)題也是不知道家底。”江蘇省農(nóng)科院蔬菜研究所研究員潘寶貴表示，一國(guó)糧食安全，系于種質(zhì)資源。種質(zhì)資源是種業(yè)原始創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)。只有全面摸清種質(zhì)資源家底，開(kāi)展種質(zhì)資源全面普查保護(hù)，才能建設(shè)國(guó)際一流的國(guó)家農(nóng)作物、畜禽和水產(chǎn)種質(zhì)資源庫(kù)，為“中國(guó)糧用中國(guó)種”多作貢獻(xiàn)。
824立方米冷藏倉(cāng)庫(kù)，呵護(hù)種質(zhì)樣本15年
收集種子只是第一步，保存以種子作為基因載體的農(nóng)作物種質(zhì)資源庫(kù)才是提升種質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。在江蘇省農(nóng)科院里早已建立起一座農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫(kù)，10月17日，記者在庫(kù)前的空地上看到，豌豆、黑豆、花生等各式各樣五顏六色的種子在空地上曬太陽(yáng)，標(biāo)簽上是種子產(chǎn)地和采集時(shí)間。
“種子收集后先曬太陽(yáng)，去除表面水分。”江蘇省農(nóng)科院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所研究員顏偉表示，透過(guò)一粒普通種子能看到人類(lèi)改造自然和適應(yīng)自然的歷史，如何有效保護(hù)種子至關(guān)重要。為此，研究所建立了江蘇省農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫(kù)，為寶貴種質(zhì)資源搭建了像銀行金庫(kù)一樣堅(jiān)固、安全的“家”。
種子進(jìn)“家門(mén)”的第二步就是在入庫(kù)前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室預(yù)處理。“曬過(guò)的種子含水量為13%，還未達(dá)到入庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，要進(jìn)一步烘干。”在顏偉身后，多臺(tái)“雙15”種子干燥箱正在工作中，在15℃和15%相對(duì)濕度的環(huán)境下，烘干后的種子含水量降為8%。緊接著種子被鋁箔紙包裝好后抽真空，碼放在一起，貼上條碼方便數(shù)據(jù)管理。
最后，這些種子會(huì)存入824立方米的低溫冷藏倉(cāng)庫(kù)。這個(gè)庫(kù)收集保存了農(nóng)作物種質(zhì)資源5.7萬(wàn)份，水稻、小麥、大麥、大豆、玉米、棉花、油菜、花生等54類(lèi)資源匯集于此，涉及14個(gè)科、56個(gè)屬、96個(gè)種。它們來(lái)自五湖四海，許多資源樣本可以追溯到上個(gè)世紀(jì)30年代，不乏古老地方品種、特色遺傳材料和野生近緣種等。
穿過(guò)三層嚴(yán)密的防護(hù)門(mén)，就是光線昏暗、涼意襲人的倉(cāng)庫(kù)。這里能動(dòng)態(tài)監(jiān)控庫(kù)內(nèi)每一分每一秒的濕度、溫度環(huán)境，入庫(kù)的種子能保存20年左右的時(shí)間。“這兒一年四季處于-4℃，相對(duì)濕度保持在50%以下，種質(zhì)資源種子樣本經(jīng)過(guò)15年，仍可正常發(fā)芽生長(zhǎng)。”顏偉說(shuō)。
記者在像超市貨架的置物臺(tái)上看到，一排排嚴(yán)密包裝的種子樣本，就像圖書(shū)館書(shū)架上存放的書(shū)籍，每袋種子都清晰地標(biāo)著一串?dāng)?shù)字條碼。這些條碼是種子們的“身份證號(hào)”。為更好保存和開(kāi)發(fā)利用種質(zhì)資源，庫(kù)內(nèi)還配備了活力監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室、指紋圖譜實(shí)驗(yàn)室和品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等，大大延長(zhǎng)了種子貯存壽命，顯著改善了我省農(nóng)作物種質(zhì)資源的保存和保護(hù)狀況。
精準(zhǔn)高效數(shù)字化育種，DNA技術(shù)尋找種質(zhì)“優(yōu)等生”
如果說(shuō)種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，那么基因則是“芯片”上最關(guān)鍵核心的元件。“要想生物育種更精準(zhǔn)、更高效，就要把種質(zhì)資源的基因變成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，尋找其中最優(yōu)秀的部分，研究其作用機(jī)理，用于科學(xué)研究和品種創(chuàng)新，來(lái)保障我們國(guó)家糧食安全。”江蘇省農(nóng)科院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)趙涵介紹，一株水稻的基因數(shù)據(jù)量可達(dá)400M左右，而平常的64G閃存盤(pán)只能存儲(chǔ)十幾株水稻的基因組數(shù)據(jù)，“建設(shè)數(shù)字化的種質(zhì)資源庫(kù)亟需高性能計(jì)算的海量存儲(chǔ)技術(shù)，為接下來(lái)的人工智能育種打下基礎(chǔ)。”
《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃的通知》中提出，要構(gòu)建農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)種質(zhì)資源保護(hù)。“江蘇的農(nóng)作物種質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)搭建工作走在了前頭。”趙涵介紹，早在2020年6月，團(tuán)隊(duì)就在全國(guó)率先搭建了數(shù)字化育種平臺(tái)，構(gòu)建高精度模型、引入基因編輯技術(shù)。“這省去大量田間播種試驗(yàn)的人力與時(shí)間，提高了科研效率，是提升育種效能的主流趨勢(shì)。”
“江蘇數(shù)字化育種平臺(tái)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)已初步完成，由表型數(shù)據(jù)庫(kù)、基因型數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)計(jì)算和分析平臺(tái)三個(gè)模塊組成。”江蘇省農(nóng)科院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)副研究員周玲介紹，其中最重要的基因型數(shù)據(jù)庫(kù)從基因組層面追溯種子來(lái)源，完善種質(zhì)的“身份證”系統(tǒng)，保證篩選出核心種質(zhì)資源。
在種質(zhì)資源基因型數(shù)據(jù)庫(kù)搭建中，主要依靠基因組二代測(cè)序技術(shù)。“我們先從樣本上提取DNA，質(zhì)檢合格后再送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和上機(jī)測(cè)序，產(chǎn)生大量序列數(shù)據(jù)，即基因組上的小片段。”周玲介紹，之后再利用生物信息學(xué)軟件，將序列信息轉(zhuǎn)化為可靠的變異信息判讀后，方能完成一份樣品的檢測(cè)。“原先的數(shù)據(jù)分析軟件每天只能分析1-2個(gè)玉米品種的基因數(shù)據(jù)，但我們聯(lián)系相關(guān)科技公司開(kāi)發(fā)了超快速的變異過(guò)濾軟件后，一天可分析30-40個(gè)玉米品種，速率提升約40倍。”周玲說(shuō)，目前已有近1萬(wàn)份種質(zhì)資源經(jīng)過(guò)基因組測(cè)序分析。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)育成的作物品種中，三分之二以上品種具有江蘇省種質(zhì)資源平臺(tái)提供的優(yōu)異資源的“血緣”。相關(guān)單位以這些優(yōu)異種質(zhì)資源為親本，共培育優(yōu)良新品種（系）303個(gè)，累計(jì)推廣10.3億畝，在支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)品種創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。
