作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/4 18:00:50
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加强基础研究是打好种业翻身仗的基础和关键

 

基础研究是科技创新的源头,事关国家核心创新能力和国际战略地位。

近日,中国农业科学院生物技术研究所所长李新海在接受《中国科学报》采访时说,针对我国农业生物育种原始创新不足,种源对外依存度高,部分种源被国外垄断的状况,加强农业生物基础研究是打好种业翻身仗的基础和关键。

 

农作物基因组研究处于国际领先地位

李新海介绍,在国家科技计划项目的长期布局和支持下,我国科学家在作物种业基础研究领域取得了重大进展,突破了一系列重要科学问题和关键技术,部分研究领域已处于世界引领地位,实现了从基础研究到应用研究的全链条创新,为保障国家粮食安全做出了突出贡献。

首先,农作物基因组研究处于国际领先地位。我国自1998年参与国际水稻基因组测序计划以来,在作物基因组学研究领域的实力不断增强,并呈现出从参与到领导、从研究非主要作物到主要作物、从研究地区性作物到全球性作物的态势,已处于国际领先地位。

李新海介绍,随着测序技术的发展,我国已经实现对重要农作物,如水稻、小麦、玉米、大豆、油菜、棉花、蔬菜等作物基因组的测序或重测序,深入阐析基因组变异、染色体重组、基因组选择与驯化机制。

其次,作物演化与性状形成机理研究取得一系列重大突破。我国科学家已解析种质资源多样性演化机制、杂种优势形成机理、作物根际固氮和光合作用机制、作物与微生物互作机制、重要育种性状形成的遗传调控网络,克隆了一批调控株型、品质、氮高效利用、抗旱、耐低温、耐盐碱、抗病、新型抗除草剂等具有重大育种价值的新基因。

再次,前沿理论指导育种技术革新取得初步成效。随着基因编辑、合成生物、人工智能、大数据、传感器等前沿交叉领域与传统育种技术相融合,新一代育种技术正在向智能化、精准化发展。

 

聚焦作物种业重大科学问题和前沿关键技术

李新海说,中国农科院近年来坚持前沿基础研究驱动农业产业发展的目标导向,聚焦作物种业重大科学问题解析和前沿关键技术创新,在作物高光效生物学基础、人工高效固氮机理、作物育种遗传改良规律、表观遗传与环境适应性等方面取得系列进展。

基因组研究在挖掘作物优良种质与优良性状方面成果突出,保障粮食丰产的基因资源自主可控。例如,围绕水稻和玉米的理想株型调控机理开展原创性研究,克隆数十个与水稻株高、分蘖、籽粒大小、根系发育、株型建成等相关的关键基因,明确了现代玉米育种过程中耐密株型的选择规律及其基因组选择与遗传改良规律,挖掘出一批调控耐密株型、株高、开花、防御反应、光信号传导和营养吸收利用相关的基因,创制一批育种新材料。

代谢组研究在提升农作物品质与安全方面发挥重要作用,为种业高质量发展提供关键支撑。植物次级代谢产物既具健康功效,也与食物的味道和营养密切相关。例如,获得了控制番茄果实中营养物质和抗营养物质的3500多个信号位点和9万多个eQTL 位点,发现了102个代谢物信号热点区域,揭示番茄次生代谢产物与风味的关联,绘制出品质改良行动路线图。

表观组研究开创第二层次调控作物产量和环境适应性研究,为实现作物增产与耐逆提供了新策略,扩展作物种业基础研究的广度和深度。例如,建立了DNA腺嘌呤和RNA甲基化表观遗传技术体系;开发出“单细胞分离和鉴定”技术体系。

合成生物学推动高光效和生物固氮等重大科学问题研究,提出新的解决路径,驱动从“0”到“1”的源头创新。例如,在作物高光效的生物学基础研究方面,对比C3、C4植物叶片结构,揭示C4解剖学结构和生化途径进化的遗传调控网络,模拟C4植物高光效回路的特点,设计并优化了6条新的光合作用通路,创制了一批具有类C4结构、光合效率提升的水稻材料。通过提高光合效率来增加产量潜力,将开启第三次绿色革命。该研究目前处于国际领先地位。

微生态研究聚焦作物与微生物互作及与环境的交互适应,在促进种业可持续发展上发挥重要作用。例如,为应对生物胁迫与非生物胁迫对作物生产的影响,对病害、盐害等逆境胁迫机理开展研究。

前沿技术与理论创新促进育种关键技术突破,提升育种水平,保障种业自主创新发展。例如,重点针对水稻、玉米等主要农作物开展育性、杂种优势的研究,发现水稻“自私”基因,破解了自私基因在促进新物种形成中的分子机制,探讨了毒性-解毒分子机制在水稻杂种不育上的普遍性,创制出广亲和的水稻新种质,实现籼粳交杂种优势的有效利用。建立了可固定杂种优势的水稻无融合生殖体系,实现了杂交稻无融合生殖“从0到1”的突破。

 

面向作物生物育种重大理论瓶颈问题

李新海指出,“十四五”期间,中国农科院将聚焦作物生物育种面临的重大理论瓶颈问题,重点突破作物高光效和生物固氮的生物学基础、优异种质资源演化规律、重要性状协同调控机理、构筑作物智慧育种的遗传理论体系。

他说,十四五期间,将重点突破作物高光效和生物固氮的生物学基础研究;重点开展作物重要性状形成与环境适应性机理研究;阐明作物杂种优势形成的生物学基础;系统研究作物优异种质形成与演化规律;推进作物设计育种技术基础创新。

 
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