李新海, 谷曉峰, 馬有志, 邱麗娟, 黎裕, 萬(wàn)建民*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所, 北京 100081; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所, 北京 100081)

當(dāng)前，隨著生物組學(xué)、合成生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、生物大數(shù)據(jù)等前沿基礎(chǔ)學(xué)科的快速發(fā)展，驅(qū)動(dòng)生物技術(shù)與信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和智能技術(shù)深度交叉融合，催生精準(zhǔn)智能設(shè)計(jì)育種，推動(dòng)傳統(tǒng)育種向精準(zhǔn)、高效、智能方向發(fā)展，使根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)計(jì)與創(chuàng)制新品種成為可能。本文系統(tǒng)分析了國(guó)際農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展態(tài)勢(shì)，綜述了我國(guó)科學(xué)家在作物設(shè)計(jì)育種等若干領(lǐng)域取得的重要研究成果，明確了我國(guó)農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)新時(shí)期我國(guó)農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展路徑提出了展望。

1 國(guó)際農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢(shì)

1.1 作物基因設(shè)計(jì)育種產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷增長(zhǎng)

自1996年轉(zhuǎn)基因作物大規(guī)模商業(yè)化以來(lái)，基因設(shè)計(jì)育種產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。1996—2018年，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積增長(zhǎng)約113倍，26個(gè)國(guó)家種植轉(zhuǎn)基因作物，歐盟、日本等44個(gè)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)口轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品，覆蓋全球60%的人口[1]。目前，作物基因設(shè)計(jì)育種目標(biāo)性狀從單一的抗蟲(chóng)、耐除草劑向抗旱、養(yǎng)分高效利用、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)改良等多基因疊加復(fù)合性狀方向快速拓展。相繼研發(fā)出新型抗蟲(chóng)耐除草劑玉米、富含β-胡蘿卜素的黃金大米、具有降血壓和降血糖功效的水稻、高ω-3大米和大豆、富鐵和富鋅大米、低還原糖含量馬鈴薯等新產(chǎn)品。2018年作物基因設(shè)計(jì)育種種業(yè)市值達(dá)到219億美元，占全球商業(yè)種子市場(chǎng)的30%，預(yù)計(jì)到2025年全球基因設(shè)計(jì)作物種子市值將增長(zhǎng)10.5%[2]。

1.2 作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)加速變革創(chuàng)新

新型轉(zhuǎn)基因、全基因組選擇、基因編輯和合成生物學(xué)等前沿生物技術(shù)交叉融合，形成了有效支撐作物精準(zhǔn)改良的基因設(shè)計(jì)育種系統(tǒng)[3-5]。全基因組選擇技術(shù)顛覆了以往表型選擇和后裔測(cè)定的育種理念和技術(shù)路線，能夠在得到個(gè)體基因型時(shí)即對(duì)其育種值進(jìn)行評(píng)估，大幅度提高育種效率。通過(guò)基因定向編輯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)、株型、育性等育種性狀的精準(zhǔn)改良。通過(guò)人工設(shè)計(jì)與優(yōu)化基因模塊和線路，可以實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)和整合位點(diǎn)的精準(zhǔn)控制以及重要性狀與環(huán)境響應(yīng)的智能調(diào)控，高效合成新基因資源。

1.3 作物基因設(shè)計(jì)育種成為種業(yè)競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)

基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)已成為提升國(guó)家種業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略利器，世界各國(guó)紛紛制定發(fā)展戰(zhàn)略，搶占生物設(shè)計(jì)育種制高點(diǎn)。美國(guó)發(fā)布《2030年農(nóng)業(yè)研究科學(xué)突破預(yù)測(cè)》，提出基因組學(xué)與精準(zhǔn)育種戰(zhàn)略路徑；阿根廷、巴西和墨西哥等拉丁美洲國(guó)家積極擴(kuò)大基因設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)加快推進(jìn)生物種業(yè)基礎(chǔ)研究和育種技術(shù)創(chuàng)新，爭(zhēng)奪知識(shí)產(chǎn)權(quán)。截至2016年，美國(guó)獲得生物技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠_(dá)12 036項(xiàng)，遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家。大型跨國(guó)生物技術(shù)公司所持有基因?qū)＠窟M(jìn)行全球?qū)＠季?。截?018年，科迪華公司(陶氏+杜邦)的專(zhuān)利持有量為5 414件，排名第一；拜耳公司(拜耳+孟山都)的專(zhuān)利持有量為5 257件，位居第二；中國(guó)化工先正達(dá)公司專(zhuān)利持有量為1 004件，位居第三位，以基因設(shè)計(jì)育種為核心的技術(shù)研發(fā)成為生物種業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。

1.4 作物基因設(shè)計(jì)育種重大平臺(tái)驅(qū)動(dòng)明顯

隨著以基因編輯、合成生物等為核心的前沿生物技術(shù)的興起，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和跨國(guó)種業(yè)公司不斷加強(qiáng)高通量、大型化、規(guī)?；?、自動(dòng)化的科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快農(nóng)業(yè)生物技術(shù)創(chuàng)新。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)相繼建立了高通量作物表型平臺(tái)等重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，加快了作物基因設(shè)計(jì)育種步伐。麻省理工學(xué)院、國(guó)際水稻研究所等研究機(jī)構(gòu)建立了作物基因編輯、全基因組選擇、合成生物等分子設(shè)計(jì)育種相關(guān)平臺(tái)，專(zhuān)注理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究?？鐕?guó)公司拜耳孟山都、科迪華等種業(yè)集團(tuán)建立了工程化育種設(shè)計(jì)平臺(tái)，將前沿基礎(chǔ)和技術(shù)融合應(yīng)用育種，創(chuàng)制出耐旱玉米等突破性新品種。

2 我國(guó)農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)

2.1 作物基礎(chǔ)研究驅(qū)動(dòng)基因設(shè)計(jì)育種

基礎(chǔ)理論突破是基因設(shè)計(jì)育種的基石。2002年，我國(guó)水稻(秈稻)基因組框架圖完成，標(biāo)志著我國(guó)水稻基因組學(xué)研究邁入世界前列[6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008—2018年我國(guó)發(fā)表高水平論文27 479篇，占全球29%，其中水稻相關(guān)論文占全球38%。近年來(lái)，我國(guó)主導(dǎo)完成水稻、小麥、棉花等多種農(nóng)作物品種和種質(zhì)資源的高質(zhì)量全基因組序列組裝和功能分析；克隆了一批控制產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等具有重大育種價(jià)值的新基因，系統(tǒng)解析了水稻亞種間遺傳隔離、小麥赤霉病、玉米株型、大豆光周期反應(yīng)等重要基因分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。多種重要性狀的協(xié)同調(diào)控機(jī)制解析取得突破，如水稻廣譜抗稻瘟病與產(chǎn)量平衡機(jī)制解析，深化了植物免疫與抗病性機(jī)制認(rèn)識(shí)[7-8]；赤霉素調(diào)控作物氮肥高效利用機(jī)制解析，拓展了對(duì)植物生長(zhǎng)與代謝協(xié)同調(diào)控基礎(chǔ)理論[9]。育種基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新能力的提升從源頭上支撐了我國(guó)現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展。

2.2 作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系初步建立

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008—2018年我國(guó)主要農(nóng)作物產(chǎn)出專(zhuān)利合計(jì)10 047件，占全球37%，正逐步建立系統(tǒng)的農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是現(xiàn)今世界上應(yīng)用最為廣泛的基因工程技術(shù)，我國(guó)在多物種遺傳轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域自主研發(fā)能力顯著提升，生物安全評(píng)價(jià)、檢測(cè)監(jiān)測(cè)和管理體系不斷完善，實(shí)現(xiàn)了由跟蹤到自主創(chuàng)新的整體跨越，創(chuàng)制出具有重要應(yīng)用前景的抗蟲(chóng)、耐除草劑、耐旱節(jié)水和營(yíng)養(yǎng)功能型轉(zhuǎn)基因玉米、大豆和水稻，達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。基因編輯技術(shù)在作物設(shè)計(jì)育種中應(yīng)用不斷拓展，相繼在水稻、小麥、玉米等作物上建立了基因敲除、基因替換或插入、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、單堿基定向突變等基因組定點(diǎn)編輯技術(shù)體系，獲得了耐除草劑、抗病、品質(zhì)改良等新型材料[10]。全基因組選擇技術(shù)已在聚合多元優(yōu)良基因方面發(fā)揮作用，初步建立了水稻、小麥、玉米等作物全基因組選擇技術(shù)體系[11]。在農(nóng)業(yè)合成生物方面，發(fā)掘和合成一批抗鹽堿、耐干旱、抗酸、固氮泌銨、氮高效利用等元件[12]。此外，通過(guò)在全基因組層面上建立人工智能預(yù)測(cè)模型，創(chuàng)建智能組合優(yōu)良等位基因的自然變異、人工變異、數(shù)量性狀位點(diǎn)的育種設(shè)計(jì)方案，最終實(shí)現(xiàn)智能、高效、定向培育新品種，極大地提高育種效率。

2.3 我國(guó)作物基因設(shè)計(jì)育種原創(chuàng)能力有待進(jìn)一步提升

我國(guó)作物基因設(shè)計(jì)育種原始創(chuàng)新能力與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距。一方面，對(duì)于重要農(nóng)藝性狀的復(fù)雜性、基因與基因間協(xié)同性、基因與環(huán)境間的互作模式研究不足，具有重要育種價(jià)值的關(guān)鍵基因缺乏。另一方面，我國(guó)在作物育種領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)需要加快發(fā)展。以作物育種技術(shù)專(zhuān)利為例，在1998—2018的20年間，我國(guó)總體專(zhuān)利數(shù)占全球?qū)＠麛?shù)的比例約為22%，但是核心技術(shù)專(zhuān)利占比不足3%。只有加快具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵基因克隆和原創(chuàng)技術(shù)創(chuàng)新，才能構(gòu)筑農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種的基礎(chǔ)理論和技術(shù)體系。此外，我國(guó)作物種業(yè)創(chuàng)新鏈條仍不完善，缺乏國(guó)家級(jí)作物基因設(shè)計(jì)育種重大基礎(chǔ)設(shè)施，以統(tǒng)籌集聚育種性狀遺傳解析、育種元件設(shè)計(jì)、表型及代謝通路合成、新材料數(shù)字化測(cè)試和生物育種智能決策，引領(lǐng)并推動(dòng)作物基因設(shè)計(jì)育種研發(fā)和種業(yè)快速發(fā)展。

3 農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種展望

面向作物種業(yè)發(fā)展需求，系統(tǒng)布局基因設(shè)計(jì)育種研究，推動(dòng)品種改良向更加精準(zhǔn)化、定向化、智能化方向轉(zhuǎn)變[13-14]。

3.1 突出作物基因設(shè)計(jì)育種源頭創(chuàng)新

瞄準(zhǔn)國(guó)際作物種業(yè)科技基礎(chǔ)理論前沿，強(qiáng)化源頭創(chuàng)新，闡析重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，提升原創(chuàng)能力。一是在作物優(yōu)異基因資源多樣性與演化機(jī)制方面，重點(diǎn)揭示物種多樣性產(chǎn)生和演化機(jī)制，全面解析物種資源形成的基因組學(xué)基礎(chǔ)，為基因資源挖掘和創(chuàng)新提供理論指導(dǎo)；二是在作物重要育種性狀形成的分子基礎(chǔ)方面，深入解析產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性、營(yíng)養(yǎng)高效等重要性狀的遺傳和表觀遺傳變異規(guī)律，構(gòu)建分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為多性狀設(shè)計(jì)改良提供理論基礎(chǔ)；三是在作物優(yōu)異基因資源設(shè)計(jì)與合成機(jī)制方面，強(qiáng)化發(fā)掘優(yōu)質(zhì)、抗病、抗逆、養(yǎng)分高效等關(guān)鍵基因和生物元件，重構(gòu)重要性狀的信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)或代謝合成通路，合成具有重要應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵功能元件，為作物種質(zhì)定向創(chuàng)制提供原創(chuàng)理論。

3.2 突破作物基因設(shè)計(jì)育種關(guān)鍵核心技術(shù)

面對(duì)全球新一輪種業(yè)科技革命的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，在顛覆性前沿技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。從以組學(xué)為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記、轉(zhuǎn)基因和分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)[15]拓展到全基因組選擇、基因編輯、合成生物學(xué)等核心技術(shù)，并與大數(shù)據(jù)和人工智能交叉融合，著力構(gòu)建作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系，搶占制高點(diǎn)。深入研究新一代作物基因高效發(fā)掘技術(shù)，加快優(yōu)異基因發(fā)掘[16]。開(kāi)發(fā)和優(yōu)化重要物種的全基因組選擇技術(shù)，提高基因聚合效率。突破主要作物優(yōu)良品種的高效遺傳轉(zhuǎn)化瓶頸，研發(fā)不依賴(lài)受體基因型限制的高效遺傳轉(zhuǎn)化新技術(shù)。創(chuàng)新高效的單堿基定點(diǎn)突變、大片段定點(diǎn)插入、同源重組等精準(zhǔn)定向編輯技術(shù)，創(chuàng)新與集成人工智能設(shè)計(jì)和決策數(shù)據(jù)庫(kù)，完善工程學(xué)的模塊化概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論，構(gòu)建基于模塊組裝和通路設(shè)計(jì)的合成生物技術(shù)體系，為作物基因設(shè)計(jì)育種提供支撐。

3.3 強(qiáng)化作物基因設(shè)計(jì)重大新品種研制

我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展已由主要滿足數(shù)量的需求向更加注重質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)健康、追求綠色生態(tài)可持續(xù)轉(zhuǎn)變，農(nóng)作物品種研發(fā)呈現(xiàn)以產(chǎn)量為核心向優(yōu)質(zhì)專(zhuān)用、綠色環(huán)保、抗病蟲(chóng)、抗逆、資源高效利用、適宜輕簡(jiǎn)化機(jī)械化的多元化方向發(fā)展。發(fā)掘作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲(chóng)、抗逆、營(yíng)養(yǎng)高效、高光效等關(guān)鍵基因，集成建立從“基因資源”到“田間育種”的作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系，建立全流程的新種質(zhì)創(chuàng)新及新技術(shù)應(yīng)用模式，注重原創(chuàng)性基因資源和新型親本創(chuàng)制，加快設(shè)計(jì)與培育優(yōu)質(zhì)多抗、氮磷高效、環(huán)境友好等戰(zhàn)略性新品種，為品種更新?lián)Q代提供支撐。

3.4 提升作物基因設(shè)計(jì)育種支撐能力

培養(yǎng)一批高水平的作物基因設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和青年科學(xué)家，打造一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的基因設(shè)計(jì)育種領(lǐng)軍企業(yè)。聚焦作物重要育種性狀的遺傳網(wǎng)絡(luò)闡析，以合成生物、基因編輯、全基因組選擇等前沿技術(shù)驅(qū)動(dòng)，深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)等新興學(xué)科，建設(shè)國(guó)家作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)創(chuàng)新中心，以及“性狀解析—元件設(shè)計(jì)—通路合成—材料測(cè)試—智能決策”一體化的作物基因設(shè)計(jì)育種重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，系統(tǒng)提升我國(guó)作物基因設(shè)計(jì)育種的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。