文/中國農(nóng)村技術(shù)開發(fā)中心

保障國家糧食安全和生態(tài)安全是關(guān)系我國國民經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的全局性重大戰(zhàn)略問題。習(xí)近平總書記多次強調(diào)，要下決心把我國種業(yè)搞上去，抓緊培育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良品種。

農(nóng)作物優(yōu)良品種是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的核心要素，是種子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的命脈。大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)作物育種技術(shù)，強化科技創(chuàng)新，創(chuàng)制重大新品種，對驅(qū)動我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型發(fā)展、提升種業(yè)國際競爭力、保障糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給具有重大戰(zhàn)略意義。

“七大農(nóng)作物育種”重點專項（以下簡稱“育種專項”）是國家重點研發(fā)計劃2016年度啟動的生物種業(yè)領(lǐng)域的唯一專項。項目啟動實施以來，按照“加強基礎(chǔ)研究、突破前沿技術(shù)、創(chuàng)制重大品種、引領(lǐng)現(xiàn)代種業(yè)”的總體思路，以水稻、玉米、小麥、大豆、棉花、油菜、蔬菜等七大農(nóng)作物為對象，圍繞種質(zhì)創(chuàng)新、育種新技術(shù)、新品種選育、良種繁育等科技創(chuàng)新鏈條，重點突破基因挖掘、品種設(shè)計和種子質(zhì)量控制等核心技術(shù)，獲得具有育種利用價值和知識產(chǎn)權(quán)的重大新基因，創(chuàng)制優(yōu)異新種質(zhì)，形成高效育種技術(shù)體系，水稻、小麥和玉米等七大農(nóng)作物綜合增產(chǎn)貢獻率由45.0%提高到54.9%，增加了9.9個百分點；綜合育種效率由0.502提升到0.759，提高了51.11%，引領(lǐng)我國農(nóng)作物育種科技發(fā)展方向，保障我國農(nóng)作物種業(yè)安全。

種質(zhì)資源是推動現(xiàn)代種業(yè)創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)、推進農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“芯片”，是保障國家糧食安全、建設(shè)生態(tài)文明、維護生物多樣性的戰(zhàn)略性資源。（資料圖）

創(chuàng)制優(yōu)異種質(zhì)資源，為新品種選育奠定重要基礎(chǔ)

種質(zhì)資源是推動現(xiàn)代種業(yè)創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)、推進農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“芯片”，是保障國家糧食安全、建設(shè)生態(tài)文明、維護生物多樣性的戰(zhàn)略性資源。

隨著種質(zhì)資源利用價值越來越大，已事關(guān)國家核心利益，其保護和利用受到世界各國的高度重視。一是保護力度越來越大。呈現(xiàn)出從一般保護到依法保護、從單一方式保護到多種方式配套保護、從種質(zhì)資源主權(quán)保護到基因資源產(chǎn)權(quán)保護的發(fā)展態(tài)勢。二是鑒定評價越來越深入。對種質(zhì)資源進行規(guī)模化和精準(zhǔn)化鑒定評價，發(fā)掘能夠滿足現(xiàn)代育種需求的優(yōu)異資源和關(guān)鍵基因，已經(jīng)成為發(fā)展方向。三是保護和鑒定體系越來越完善。世界大多數(shù)國家均建立了依據(jù)生態(tài)區(qū)布局，涵蓋收集、檢疫、保存、鑒定、種質(zhì)創(chuàng)新等分工明確的農(nóng)作物種質(zhì)資源國家公共保護和研究體系。四是共享利用機制越來越健全。隨著《生物多樣性公約》《糧食和農(nóng)業(yè)植物遺傳資源國際條約》等國際公約的實施，國家間種質(zhì)資源獲取與交換日益頻繁，已經(jīng)形成規(guī)范的資源獲取和利益分享機制。

育種專項實施以來，在種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定與創(chuàng)新利用取得重要進展，為新品種選育及基礎(chǔ)研究提供了重要物質(zhì)基礎(chǔ)，為農(nóng)作物育種及產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。在國內(nèi)外首次實現(xiàn)對15800份主要農(nóng)作物種質(zhì)資源開展多年多點精準(zhǔn)鑒定的基礎(chǔ)上篩選優(yōu)異種質(zhì)，通過關(guān)聯(lián)分析批量發(fā)掘主糧作物育種關(guān)鍵基因。其中，小麥抗赤霉病基因等重要基因調(diào)控機理的解析，其創(chuàng)新性具有國際領(lǐng)先水平。同時，育種專項發(fā)掘創(chuàng)制的優(yōu)異種質(zhì)已向全國育種及研究單位提供利用14950份次，攜帶抗赤霉病基因小麥種質(zhì)已發(fā)放60多家單位育種利用，為解決小麥赤霉病問題提供了“金鑰匙”。

一是主要農(nóng)作物種質(zhì)資源規(guī)?；珳?zhǔn)鑒定取得重要進展。針對作物育種需求，首次對水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花、蔬菜等主要農(nóng)作物15880份種質(zhì)資源開展大規(guī)模精準(zhǔn)鑒定；表型精準(zhǔn)鑒定采用多年多點方式，并與全基因組水平的基因型精準(zhǔn)鑒定相結(jié)合；篩選綜合性狀優(yōu)異的種質(zhì)1290份，鑒定出抗病、抗逆特異種質(zhì)1250份，解決了育種優(yōu)異親本匱乏的難題。

二是優(yōu)異種質(zhì)資源創(chuàng)新解決育種關(guān)鍵問題。以野生近緣植物和地方品種為供體，創(chuàng)制抗小麥赤霉病和紋枯病、抗水稻黑條矮縮病、抗旱玉米、高蛋白大豆等育種新材料3860份，解決了育種材料遺傳基礎(chǔ)狹窄、缺乏突破性種質(zhì)的關(guān)鍵問題。

三是重要性狀關(guān)鍵基因發(fā)掘取得突破性進展。克隆小麥抗赤霉病Fhb7基因并實現(xiàn)抗病基因的轉(zhuǎn)育利用；發(fā)掘水稻穗粒數(shù)關(guān)鍵基因，為高產(chǎn)分子設(shè)計育種奠定基礎(chǔ)；發(fā)掘玉米抗旱數(shù)量性狀基因座169個，為抗旱育種提供基因資源；揭示棉花“魯原343”優(yōu)質(zhì)纖維品質(zhì)的形成機制；引進抗病基因區(qū)段，增強油菜對菌核病的抗性。重要性狀關(guān)鍵基因發(fā)掘利用提升了作物分子育種水平。

四是優(yōu)異種質(zhì)資源育種利用取得顯著成效。育種專項篩選的優(yōu)異與創(chuàng)新種質(zhì)已提供育種利用14950份次，為我國主要農(nóng)作物育種及其種業(yè)的綠色和可持續(xù)發(fā)展提供了有力的物質(zhì)支撐與保障。

定位克隆有利基因，為分子設(shè)計育種提供路徑

常規(guī)育種技術(shù)在現(xiàn)階段，對作物遺傳改良過程中育種時效性及產(chǎn)量品質(zhì)等提高已處于瓶頸狀態(tài)。正是基于對植物本身潛力發(fā)掘的研究，同時結(jié)合分子育種的手段，提出了農(nóng)作物分子設(shè)計育種這個新概念，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的“經(jīng)驗育種”到定向、高效的“精確育種”的轉(zhuǎn)化，大幅度提高育種效率，全面提升育種水平，培育突破性新品種。農(nóng)作物分子設(shè)計育種克服了常規(guī)育種方法周期長、預(yù)見性差、選擇效率低等局限性；并通過分子提取、克隆等手段打破物種界限，實現(xiàn)優(yōu)良基因重組和聚合，能夠?qū)r(nóng)作物品種改良定向選育，繼而保證了產(chǎn)量品質(zhì)上的新突破。

育種專項實施五年來，我國主要農(nóng)作物基因組學(xué)研究得到了飛速發(fā)展。育種專項在深度解析基因組結(jié)構(gòu)變異、基因組演變規(guī)律、關(guān)鍵農(nóng)藝性狀基因克隆和機理解析等領(lǐng)域取得了一系列前瞻性、引領(lǐng)性原創(chuàng)基礎(chǔ)研究重大突破，精細定位和克隆了一批重要性狀的有利基因，為農(nóng)作物分子定向設(shè)計育種提供了重要基因資源與路徑。

在水稻方面，育種專項首次發(fā)現(xiàn)自私基因系統(tǒng)控制水稻雜種不育性狀，闡明了自私基因在維持植物基因組的穩(wěn)定性和促進新物種的形成中的分子機制，通過建立毒性-解毒分子機制在水稻雜種不育上的普遍性，揭示了水稻秈粳亞種間雜種配子選擇性致死分子機理為揭示水稻秈粳亞種間雜種雌配子選擇性致死的本質(zhì)提供了理論借鑒。在深入了解水稻雜種不育的分子遺傳機理基礎(chǔ)上，可利用基因編輯技術(shù)對具毒性功能的自私基因進行編輯刪除，創(chuàng)制廣親和的水稻新種質(zhì)，實現(xiàn)秈粳交雜種優(yōu)勢的有效利用，為秈粳亞種間雜交稻品種的培育提供基礎(chǔ)。在氮營養(yǎng)利用效率方面，深度解析了水稻已知基因新功能，在分子水平闡明了“綠色革命”矮桿育種伴隨氮肥利用效率低下的原因，同時首次從表觀遺傳學(xué)角度闡明氮素調(diào)控水稻分蘗生長的作用機制，從分子水平上揭示了“綠色革命”矮稈品種在高肥條件下增產(chǎn)的原因。這一發(fā)現(xiàn)豐富了對于赤霉素信號傳遞通路的認(rèn)識，有助于培育綠色高產(chǎn)高效農(nóng)作物新品種，從而找到了一條在保證糧食總產(chǎn)量不斷提高的同時，提高了氮肥利用效率，降低了生產(chǎn)投入成本，減少了對環(huán)境造成的污染的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)新途徑。

在小麥方面，完成了小麥染色體級別的D基因組精細圖譜的繪制；克隆了小麥太谷核不育基因和抗赤霉病基因，大幅度提高了小麥育種效率。根據(jù)新發(fā)現(xiàn)的抗赤霉病基因，育種專項選育抗赤霉病小麥品系37個，減少54億元直接經(jīng)濟損失，減少農(nóng)藥使用成本約1.6億元。

在玉米方面，育種專項完成了玉米自交系基因組高質(zhì)量參考基因組序列組裝和品種間基因組結(jié)構(gòu)變異分析，并對玉米雜種優(yōu)勢形成機理有了新的解釋，克隆了重要玉米葉夾角調(diào)控基因。玉米緊湊株型的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的建立為玉米理想株型分子設(shè)計育種、培育耐密高產(chǎn)品種提供了理論和實踐基礎(chǔ)。玉米野生祖先種大芻草優(yōu)良等位基因的發(fā)掘和利用是拓寬玉米種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)、打破育種瓶頸的有效途徑。

另外，育種專項在番茄風(fēng)味的物質(zhì)基礎(chǔ)遺傳位點和調(diào)控基因以及辣椒基因組學(xué)和功能基因組研究也取得了突破性進展。

創(chuàng)新突破育種技術(shù)，加速高效育種體系建設(shè)

育種專項實施五年來，關(guān)鍵育種技術(shù)取得明顯突破，分子設(shè)計育種技術(shù)及主要糧食作物基因編輯技術(shù)的突破，為未來品種設(shè)計及新品種培育提供了源動力，大大提高新品種培育的效率，加速了農(nóng)作物高效育種體系的構(gòu)建與快速應(yīng)用。育種專項對雜優(yōu)利用、細胞及染色體工程、誘變、分子標(biāo)記、基因組編輯等育種關(guān)鍵技術(shù)進行創(chuàng)新完善，并創(chuàng)制出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲、抗逆、資源高效利用、適合機械化等突破性育種材料及水稻、大豆等突變體庫。

圍繞水稻理想株型與品質(zhì)形成的分子機理這一重大科學(xué)問題，育種專項鑒定、創(chuàng)制和利用水稻資源，創(chuàng)建了直接利用自然材料與生產(chǎn)品種進行復(fù)雜性狀遺傳解析的新方法；揭示了影響水稻產(chǎn)量的理想株型形成的關(guān)鍵基因和分子基礎(chǔ)；闡明了稻米食用品質(zhì)精細調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，用于指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)稻米品種培育；示范了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)為基礎(chǔ)的分子設(shè)計育種，為解決水稻產(chǎn)量品質(zhì)協(xié)同改良的難題提供了有效策略。

育種專項成果“水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)性狀形成的分子機理及品種設(shè)計”榮獲2017年度國家自然科學(xué)一等獎。該成果引領(lǐng)了水稻遺傳學(xué)的發(fā)展，是“綠色革命”的新突破和新起點?；蚓庉嫾铀僖吧参锺Z化的首次突破，為未來作物精準(zhǔn)設(shè)計提供了全新策略。Nature、ScienceNews等評論指出“該研究是基因組編輯技術(shù)加速野生植物馴化的范例”“基因組編輯可望用于將成千上萬野生植物馴化成有應(yīng)用價值的農(nóng)作物”。

水稻新品種“嘉優(yōu)中科6號”和“中科發(fā)5號”是利用分子設(shè)計育種技術(shù)體系培育出的理想株型水稻新品種，不僅為作物精準(zhǔn)設(shè)計育種提供了新方法，新思路，更為未來作物育種技術(shù)更新奠定了堅實的基礎(chǔ)，有力的推動我國農(nóng)作物傳統(tǒng)育種向高效、精準(zhǔn)、定向的分子設(shè)計育種轉(zhuǎn)變。

育種專項在單堿基編輯技術(shù)、基因精準(zhǔn)調(diào)控及作物人工馴化上取得了連續(xù)突破，在推進植物基因組編輯技術(shù)創(chuàng)新的同時實現(xiàn)了作物遺傳改良與育種應(yīng)用。在水稻、小麥、玉米中創(chuàng)建了植物單堿基編輯系統(tǒng)，構(gòu)建出更高效、編輯窗口更大的單堿基編輯系統(tǒng)，并在小麥、水稻及馬鈴薯實現(xiàn)了精準(zhǔn)堿基替換；建立基因組編輯調(diào)控內(nèi)源基因蛋白翻譯效率新方法，創(chuàng)制了維生素C含量提高的生菜；成功地將多個產(chǎn)量和品質(zhì)性狀精準(zhǔn)地導(dǎo)入野生番茄，使其在保持其耐鹽堿和抗病的同時提高產(chǎn)量和品質(zhì)，實現(xiàn)了野生植物的快速精準(zhǔn)馴化。

加快新品種選育，保障糧食安全

育種專項通過分子設(shè)計、染色體細胞工程、誘變、雜種優(yōu)勢、常規(guī)育種等多種方法的有效結(jié)合，大大提高了新品種選育效率。育種專項實施五年來，培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆和適宜機械化育種新品種共計1350個，其中國審品種534個，新品種累計推廣2.5億畝，取得了顯著的經(jīng)濟與社會效益，為保障糧食安全和促進種業(yè)發(fā)展提供了重要科技支撐。

在水稻新品種方面，廣適型水稻新品種“晶兩優(yōu)534”，比區(qū)試對照品種增產(chǎn)5%以上，達到國家3級以上優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn)，抗稻瘟病，適應(yīng)性廣，累計推廣880萬畝；“華浙優(yōu) 261”集高產(chǎn)（增產(chǎn) 7.02%）、優(yōu)質(zhì)（品質(zhì)一級），廣適性于一身，2020年通過長江上游地區(qū)國家審定，2020獲第三屆黑龍江國際稻米節(jié)金獎第一名。

在小麥新品種方面，廣適高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)小麥新品種“魯原502”，連續(xù)多年被列為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和省級主導(dǎo)品種，畝產(chǎn)突破800公斤，累計推廣5738.5萬畝，2019年獲得國家科技進步二等獎；超強筋早熟抗病小麥新品種“濟麥44”，被“首屆黃淮麥區(qū)優(yōu)質(zhì)強筋小麥品種質(zhì)量鑒評會”鑒評為超強筋品種，以1500萬元實現(xiàn)了品種權(quán)轉(zhuǎn)讓，創(chuàng)我國優(yōu)質(zhì)小麥轉(zhuǎn)讓價格之最。

在玉米新品種方面，早熟宜機收強優(yōu)勢雜交種“京農(nóng)科728”，突破了夏播玉米機收籽粒的技術(shù)瓶頸，累計推廣面積超過1000萬畝；耐高溫?zé)岷τ衩仔缕贩N“中科玉505”，在黃淮海夏玉米區(qū)居領(lǐng)先地位，累計示范推廣超過1300萬畝。

在棉花新品種方面，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐病棉花新品種“新陸中82號”，己成為第一師的主推優(yōu)質(zhì)品種并在南疆棉區(qū)推廣70萬畝以上。

在大豆新品種方面，高產(chǎn)、高油、多抗大豆新品種“合農(nóng)75”，累計推廣1059.6萬畝，成為突破性大豆新品種。

在油菜新品種方面，抗根腫病強優(yōu)勢雜交油菜新品種“華油雜62R”，是我國第一個抗根腫病雜交油菜新品種，其選育為我國油菜根腫病抗病育種提供了有效資源和分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，累計在我國油菜根腫病高發(fā)區(qū)示范應(yīng)用12.05萬畝；

在蔬菜新品種方面，高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大果朝天椒新品種“飛艷”，累計推廣30萬畝。

鑒定種子身份，構(gòu)建農(nóng)作物的指紋數(shù)據(jù)庫

和人類一樣，農(nóng)作物也同樣具有“指紋”，而且不同品種農(nóng)作物的“指紋”絕對不會雷同。農(nóng)作物的“指紋”是由農(nóng)作物內(nèi)的DNA決定的，它從分子水平上為農(nóng)作物品種提供了一張身份證。有了它，農(nóng)業(yè)專家就可以通過“指紋”顯示出來的不同特性，快速、簡便地完成農(nóng)作物種子鑒定、質(zhì)量監(jiān)控，而且對于理清我國農(nóng)作物種質(zhì)的血緣關(guān)系、雜種優(yōu)勢群劃分、種質(zhì)創(chuàng)新及新品種選育都非常有幫助。

隨著我國農(nóng)作物品種數(shù)量劇增，以及海量的種質(zhì)資源和育種材料，迫切需要更精準(zhǔn)便捷地鑒定其遺傳背景和明確其身份。育種專項基于大數(shù)據(jù)、多平臺，確定了七大農(nóng)作物品種身份鑒別的候選核心位點組合，建立七大農(nóng)作物優(yōu)異位點池，在農(nóng)作物品種鑒定、優(yōu)異位點開發(fā)共性技術(shù)等方面取得重要進展，主要農(nóng)作物種子分子指紋檢測技術(shù)不斷優(yōu)化，應(yīng)用成效顯著。

育種專項在已建立的玉米、水稻等SSR-DNA指紋技術(shù)基礎(chǔ)上，研發(fā)建立了適用于KASP、芯片、定點測序等多技術(shù)平臺的七大農(nóng)作物高通量的SNP分子鑒定技術(shù)體系，制定出7項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；基于標(biāo)準(zhǔn)樣品、標(biāo)準(zhǔn)方法、核心位點組合，已在全球率先完成七大農(nóng)作物5萬多品種SNP-DNA標(biāo)準(zhǔn)指紋的構(gòu)建，其中玉米25182個、水稻10001個，總數(shù)據(jù)量已達千萬級；研發(fā)兼容多作物、多標(biāo)記、多平臺、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，為多種作物開展DNA指紋數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及查詢、比對、分析提供關(guān)鍵技術(shù)和共享平臺。

育種專項按照統(tǒng)一技術(shù)路線，各作物均選取代表性材料，通過全基因組重測序，數(shù)據(jù)挖掘、評估，建立從幾百萬（水稻）到幾千萬（玉米）數(shù)量級的優(yōu)異SNP位點池，再綜合利用生物信息學(xué)、分子遺傳學(xué)等方法，篩選出幾千至幾萬級的優(yōu)異位點，研制定型7款高密度、高質(zhì)量、高兼容性SNP芯片。其中玉米Maize6H-60K芯片已授權(quán)生產(chǎn)10萬張，在多家大型種企中規(guī)?；瘧?yīng)用。進一步分別從各作物的高密度芯片中確定幾十至幾百量級的基本核心位點，用于SNP-DNA標(biāo)準(zhǔn)指紋庫構(gòu)建和快速準(zhǔn)確、經(jīng)濟簡便的大規(guī)模檢測應(yīng)用；所研制SNP鑒定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范通過多角度評估測試顯示與SSR、田間表型鑒定結(jié)果具有高度相關(guān)性和一致性。