我國玉米基因編輯技術(shù)研究與國際同步 推動現(xiàn)代玉米育種發(fā)展

玉米是我國最重要的糧食作物之一，玉米的自給率可達95%以上。我國農(nóng)業(yè)主管部門主要負責人不止一次地表示，玉米基本自給是中國糧食安全的底線。“玉米之所以能做到糧倉里裝中國糧、耕地里種中國種，依賴的是科技進步與創(chuàng)新。”玉米育種專家、中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所(以下簡稱農(nóng)科所)研究員黎亮在接受科技日報記者采訪時表示。

常規(guī)育種技術(shù)周期長、優(yōu)良親本自交系選擇率低，很難在短時間內(nèi)選育出所需要的品種。近年來，單倍體育種、分子標記輔助育種、基因編輯育種等生物技術(shù)的應用，提高了玉米育種的效率，開辟了玉米育種的新途徑。

我國種植玉米九成是自育品種

“目前我國所有生態(tài)區(qū)的玉米品種推廣都面臨著國際競爭，主要的跨國公司都在我國開展了品種選育或市場推廣。但我國玉米自育品種的種植面積仍達90%以上，實現(xiàn)這個比例是很不容易的，是國內(nèi)廣大育種者共同努力的結(jié)果。”黎亮說。

多年前，我國玉米品種普遍存在單產(chǎn)水平低、耐密性差、抗病抗蟲能力弱等缺點，嚴重限制了我國玉米的產(chǎn)能。同時我國玉米種質(zhì)資源相對匱乏，極大地限制了對高產(chǎn)耐密抗病蟲能力強的玉米品種的選育。

為了解決這個“硬骨頭”，農(nóng)科所黃長玲研究員團隊廣泛搜集國內(nèi)外優(yōu)良玉米種質(zhì)資源，潛心鉆研，充分利用分子標記技術(shù)輔助玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新，歷經(jīng)23年，先后育成耐密性好、產(chǎn)量高、適宜種植范圍廣的玉米新品種“中單808”和“中單909”。

黎亮介紹，“中單808”在西南地區(qū)推廣后，該地區(qū)玉米種植密度提升30%(每畝增加1000株)，產(chǎn)量增幅高達39.3%，成為西南地區(qū)主導玉米品種。“中單909”在我國黃淮海玉米區(qū)試種期間，平均畝產(chǎn)比黃淮海主推品種“鄭單958”增產(chǎn)5.1%，在全國高產(chǎn)潛力研究實驗中，更是創(chuàng)造出畝產(chǎn)1376公斤的高產(chǎn)紀錄。

繼“中單808”和“中單909”之后，農(nóng)科所玉米研究團隊并沒有止步。他們繼續(xù)朝著新的育種目標尤其是當前的高優(yōu)質(zhì)綠色目標開展研發(fā)攻關(guān)，整合各項育種技術(shù)，進行材料創(chuàng)制和品種選育，并取得了可喜的進展。

他們還構(gòu)建了以密植增穗增產(chǎn)、高質(zhì)量群體構(gòu)建、病蟲害綠色防控、機械粒收與全程機械化作業(yè)、秸稈還田為主的玉米密植高產(chǎn)全程機械化綠色技術(shù)體系，2020年創(chuàng)畝產(chǎn)1663.25公斤新紀錄，再次刷新我國玉米高產(chǎn)紀錄。

此外，“十三五”期間，農(nóng)科所團隊還育成了“中單123”“中單685”“中玉303”“中單111”等10個高產(chǎn)抗逆宜機收新品種，為提高我國玉米產(chǎn)量作出了貢獻。

讓育種者告別“無米之炊”

俗話說“巧婦難為無米之炊”，生物育種的第一步就是需要有育種材料，并且需要知道這些材料里是否含有符合品種需求的優(yōu)良基因。“由于我國并非玉米的起源地，玉米種質(zhì)資源無論豐富程度還是水平高低，都與一些國家存在一定差距。”黎亮說。

黎亮介紹，農(nóng)科所建立了我國玉米種質(zhì)資源的安全保護體系，安全保存了3萬余份種質(zhì)資源。并且牽頭完成了對主產(chǎn)區(qū)2000份玉米種質(zhì)資源的關(guān)鍵性狀(如抗旱、抗病、氮利用效率、抗倒、籽粒脫水速率等)評價，闡明了我國玉米種質(zhì)資源遺傳多樣性特性，為種質(zhì)資源的高效利用打下了基礎(chǔ)。

生物育種離不開基礎(chǔ)領(lǐng)域的研究與突破，尤其是基因組學的發(fā)展以及關(guān)鍵基因的挖掘與鑒定。這些基礎(chǔ)研究能從根本上提高育種效率。

“在不清楚目標性狀受哪些基因控制或調(diào)控之前，育種專家只能依賴于田間表現(xiàn)對品種進行選擇或淘汰，而無法做到針對基因型的直接選擇。參考基因組的構(gòu)建大大加速了基因挖掘的速度。”黎亮說。

為此，中國農(nóng)業(yè)大學完成了玉米自交系Mo17的高質(zhì)量參考基因組;北京農(nóng)科院也構(gòu)建了中國玉米骨干自交系“黃早四”的高質(zhì)量基因組圖譜;中國農(nóng)業(yè)科學院公布了基于1218個玉米自交系的第三代多態(tài)性數(shù)據(jù)。

“在此基礎(chǔ)上，科學家們克隆了多個重要農(nóng)藝性狀的基因，比如克隆了玉米生育期、株型建成、耐密、抗病相關(guān)的基因并闡明了遺傳機制，揭示了現(xiàn)代玉米育種過程中基因組選擇與遺傳改良規(guī)律。這些研究成果大大推動了分子標記輔助育種向前發(fā)展。”黎亮說。

構(gòu)建玉米育種的“高鐵技術(shù)”

“傳統(tǒng)玉米育種中，如果想把某個優(yōu)良的基因融合到某個自交系中，需要將攜帶這個基因的材料和這個自交系進行雜交，然后通過不斷自交或者回交的方式獲得新的自交系。在不清楚哪個基因控制某種目標性狀之前只能通過每個世代的田間表現(xiàn)進行選擇，如果能清楚哪個基因控制某種目標性狀，則可以利用分子標記輔助選擇。”黎亮說，盡管如此，這種傳統(tǒng)模式仍然耗時費力，周期很長。

而單倍體育種技術(shù)的出現(xiàn)革命性地打破了這一傳統(tǒng)育種模式。近年來，以生物誘導為基礎(chǔ)的玉米單倍體育種技術(shù)，成為可與基因編輯技術(shù)、分子標記輔助育種技術(shù)相媲美的現(xiàn)代玉米育種三大核心技術(shù)之一。單倍體植株只含有一個染色體組，含有多個染色體組的是多倍體，包括玉米在內(nèi)的很多物種都是多倍體。單倍體育種，是利用組織培養(yǎng)技術(shù)在多倍體植株花粉期獲得單倍體，然后再對單倍體進行染色體組加倍，從而形成純合自交系品種。

黎亮表示，工程育種技術(shù)為提高育種效率提供了保障，其中的單倍體育種技術(shù)，最快可一年甚至7—8個月獲得純系，顯著提升了育種效率，被譽為玉米育種的“高鐵技術(shù)”。

記者獲悉，中國農(nóng)業(yè)大學陳紹江教授團隊圍繞單倍體育種技術(shù)攻關(guān)20余年，在單倍體的高頻誘導、高效鑒別和高通量加倍3個核心技術(shù)環(huán)節(jié)均有了技術(shù)突破，從而使這項技術(shù)在我國玉米育種中得以推廣應用。在單倍體的誘導機理方面，團隊克隆了控制單倍體誘導的兩個基因，并實現(xiàn)了單倍體技術(shù)向小麥、擬南芥等其他物種的發(fā)展，使得我國在這一領(lǐng)域的研究處于國際領(lǐng)先水平。

玉米基因編輯技術(shù)研究與國際同步

基因編輯等生物技術(shù)為改變某些目標性狀提供了新的路徑和策略。

基因編輯技術(shù)是近10年來新興的顛覆性生物技術(shù)，具有變異明確、穩(wěn)定遺傳、研發(fā)效率高與適用范圍廣等特點。該技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)玉米育種所遇到的瓶頸難題，極大地推動了現(xiàn)代玉米育種的發(fā)展。

“經(jīng)過多年不懈改進，基于細菌適應性免疫機制原理，我國科學家研發(fā)出了以RNA為指導識別單元、以核酸修飾酶為定點突變活性工具酶的新一代基因編輯技術(shù)體系。該技術(shù)體系能夠?qū)δ繕嘶驅(qū)嵭芯珳释蛔兓蛐揎?，從而使育種專家獲得所需的生物育種性狀。”黎亮說。

農(nóng)科所謝傳曉研究員團隊就在這一研究領(lǐng)域做了大量創(chuàng)新性的工作，使得我國在玉米基因編輯育種的技術(shù)儲備和國際水平保持同步。

團隊利用基因編輯技術(shù)對玉米育性基因的功能結(jié)構(gòu)域進行了定點定向刪除，從而創(chuàng)制了核不育系，并巧妙地利用基因編輯技術(shù)使之與保持系技術(shù)兼容，從而創(chuàng)制出操控型核不育保持系品種。

“用這種技術(shù)育成新品種后，在進行制種時不再需要人工或機械去雄，可以實現(xiàn)‘一步法’制種，降低了生產(chǎn)成本。”黎亮說。

他表示，未來多項育種技術(shù)的有機融合將大大提高玉米育種的效率，形成新的工程化育種模式。(馬愛平)