作者:刘如楠 来源:中国科学报 发布时间:2021/10/19 11:10:49
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第708次香山科学会议聚焦“作物表型组学与精准设计育种”
打造基因型-表型“辞海” 实现精准设计育种

 

“水稻约有5.6万个基因,玉米约有6万个基因,小麦约有12万个基因,这数以万计的基因是如何调控植物发育、生长和环境适应,进而表现出株型、穗型、穗粒数等表型性状的呢?”在近日召开的第708次香山科学会议上,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员杨维才抛出了这个问题。

他认为,这是建立分子设计育种体系必须回答的重大科学问题,要解决它,需首先突破基因型-表型精准解析这一瓶颈。

与会专家认为,作物表型组学这一基于多学科交叉的新兴学科,将推动优良作物新品种高效选育关键核心技术的变革,实现种子精准分子设计与创造,保障种源自主可控。

探究基因和性状的对应关系

种子被誉为农业‘芯片’,种子创新是推动农业发展的核心动力。然而,我国大豆、玉米单产远低于美国,土豆、胡萝卜、西兰花等蔬菜种子,尤其是高端品种严重依赖进口。长期以来,存在种质企业竞争力薄弱,研发投入不足等问题。

“大家常说‘国外种子论粒卖,国产种子论斤卖’,拿辣椒来说,国内外种子价格相差几十倍。”杨维才说。

20世纪以来,育种技术的发展经历了杂交育种、基因工程育种、分子育种等几个阶段。分子育种是当今作物遗传改良的前沿技术,大幅提高了育种效率。

要在此基础上取得突破,进一步实现从分子育种到更高效的精准设计育种的跨越,首先要做的就是探究清楚哪些基因决定哪些性状。

过去二十多年来,基因组研究快速发展,数以千计的作物品种被测序,大量重要性状的功能基因被鉴定。然而,由于遗传变异、表观变异和环境因子的复杂性,基因与性状的对应关系仍是分散和未知的。究其根本,主要是我们对性状的精准鉴定存在技术瓶颈。

“传统种植作物时,我们了解它的样子,但很多细节是没办法描述的,比如,它有多少穗、多少粒,这一株需要多少光照、多少水、产量多少?以前我们数一数、称一称、能估计出大概的数值,但现在我们能将其数据化,把这些统统精准计算出来。”中国科学院院士、华中农业大学教授张启发告诉《中国科学报》。

“我们希望打造一本‘辞海’,将生物体表现出的全部性状和调控这些性状的基因一一对应起来。这样可以根据我们的需要,通过特定基因的编辑和组装,实现精准设计育种。”杨维才说。

研究设施、环境模拟、数据采集解析,缺一不可

生物体表现出的全部性状即表型组。由此发展起来的表型组学,可以对细胞、组织、器官,乃至个体、种群的表型开展系统研究分析,有效认识生物体基因型、环境因素和表型之间的复杂关系,即打造“辞海”的过程。

这首先需要表型设施作为支撑。“我国虽然在表型组学方面早有设想,但由于设施和装备有限,难以实现多维数据的采集和整合。”杨维才说,因此,建设规模化、高通量、高精准度、开放共享的作物表型研究设施势在必行。

此外,还需要作物表型数据采集技术和智能大数据解析技术。

“作物表型数据采集技术包括3D成像、CT成像、高光谱成像、微观气孔技术等,其发展应坚持‘硬件设施和软件技术并重’,注重多学科交叉人才培养,提倡标准数据共享。”华中农业大学植物科学技术学院教授杨万能说。

中国农业大学农学院教授王向峰表示,建立作物智能设计育种技术体系,一是要应用机器学习等人工智能算法开发各类数据驱动的育种模型,二是要建立作物育种信息管理与数据自动化分析系统,这将推动育种从“科学”到“智能”转变。

同时,可控环境模拟对表型分析也至关重要。“农业的区域性非常明显,海拔、经纬度等不同,导致作物生长状态也不同,我们通过环境模拟和分析,希望实现根据当地的环境来精准设计育种,使种子最适合当地的条件,实现‘量体裁衣’。这也有助于满足人们对未来健康食品的特定需求。”中科院遗传发育所研究员陈凡说。

他表示,未来还需研发智能化规模化的环境模拟与监测系统,实现对水分、土壤、虫害、病害、温度、光照等生长环境的全天候模拟和控制,真正实现表型与基因型的关联分析,从而实现种子的精准设计与创造。

 
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