都說中國是“種花家”，中國人是“種菜民族”。從小區(qū)綠化到南極科考，從普通農(nóng)田到“天宮”空間站，哪里有中國人，哪里就會(huì)被我們?nèi)鱿孪Ｍ姆N子。

比如神舟十四號(hào)乘組在進(jìn)駐空間站期間，就完成了人類歷史上第一次太空水稻全生命周期培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。從2022年7月29日注入營養(yǎng)液啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，至11月25日結(jié)束實(shí)驗(yàn)，水稻種子在中國空間站內(nèi)經(jīng)歷了120天的空間培育生長，完成了 “從種子到種子”的發(fā)育全過程。

植物能夠在太空環(huán)境中完成世代交替，才能在食物上保證人類未來的太空長期駐留。此次在太空實(shí)現(xiàn)水稻“從種子到種子”，相比傳統(tǒng)的太空育種，是一次非常大的進(jìn)步。

其實(shí)，太空育種是傳統(tǒng)誘變育種方法在航天領(lǐng)域的延伸，靠太空強(qiáng)烈的輻射作用誘發(fā)作物種子發(fā)生基因突變，然后在眾多變異中篩選出有利的變異，逐步培育出一個(gè)新的作物品種。但太空育種在基因變異篩選上的效率并不高，因?yàn)樽儺愅耆侩S機(jī)“碰運(yùn)氣”。如何提高育種的效率，培育更多具有優(yōu)良性狀的新型果蔬、糧食？可以將目的基因直接導(dǎo)入到受體細(xì)胞中、能夠精準(zhǔn)預(yù)測新作物表達(dá)性狀的分子育種技術(shù)就在蓬勃發(fā)展，與太空育種、雜交育種等多種育種技術(shù)一道，為中國農(nóng)業(yè)科技化添磚加瓦。

中國分子育種有很多優(yōu)勢

在傳統(tǒng)育種技術(shù)上，中國也有著很多優(yōu)勢。

比如雜交水稻等常規(guī)育種手段，就處于國際領(lǐng)先地位，助力我國水稻的增產(chǎn)與豐收。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國雜交水稻種植面積超過1700萬公頃，占全國水稻總面積50%以上；雜交稻比常規(guī)稻增產(chǎn)20%以上，每年增產(chǎn)糧食可養(yǎng)活7000萬人，約相當(dāng)于一個(gè)湖南省人口；水稻更是以約占我國糧食總面積25%的播種面積，貢獻(xiàn)了近32%的產(chǎn)量。

作為主糧，水稻是全國近七成人口的主食。對(duì)中國來說，保飯碗，首先就要保大米。

但隨著人民生活水平的逐年增長，我們需要更豐富的食品，糧食、水果、堅(jiān)果、畜牧、水產(chǎn)，方方面面都需要優(yōu)質(zhì)的品種。而很多傳統(tǒng)的育種方式，也在向著高效、精準(zhǔn)、定向的分子設(shè)計(jì)育種轉(zhuǎn)變。

而最近，億歐智庫聯(lián)合華大智造共同發(fā)布的《2022年中國農(nóng)業(yè)分子育種行業(yè)發(fā)展白皮書》（以下簡稱“白皮書”）也指出，農(nóng)業(yè)生物育種共分為四個(gè)階段，即1.0原始馴化選育階段、2.0常規(guī)育種階段、3.0分子育種階段、4.0智能育種階段。當(dāng)前國際種業(yè)已經(jīng)逐漸從3.0分子育種邁入4.0智能育種階段，中國生物育種正處于2.0常規(guī)育種向3.0分子育種階段發(fā)展。

白皮書指出，面臨國內(nèi)外生物育種技術(shù)的巨大差異以及日益動(dòng)蕩的國際局勢，發(fā)展分子育種技術(shù)、推動(dòng)分子育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，既是保障中國農(nóng)業(yè)安全的必然要求，也是中國生物育種產(chǎn)業(yè)從業(yè)者面臨的重大機(jī)遇。

分子育種與常規(guī)育種有著怎樣的區(qū)別呢？

常規(guī)育種一般是指利用系統(tǒng)選育、雜交育種和誘變（物理、化學(xué)和航天誘變）等選育新品種的方法。但育種時(shí)間長、效率低，還有可預(yù)測和可控制性差等種種缺陷，簡而言之，常規(guī)育種這種憑經(jīng)驗(yàn)選育的過程就像一個(gè)“黑匣子”。而分子育種是將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于育種中，就可以打開“黑匣子”，加快篩選速度，從而育出市場所需要性狀的新品種。

分子育種在縮短育種時(shí)間上很有優(yōu)勢。

用常規(guī)育種手段定向改良一個(gè)農(nóng)藝性狀，需要回交6代才能得到理想的植株，一般需要5～6年時(shí)間，而利用分子育種技術(shù)，通過早期的基因型選擇，只需要3年左右，育種時(shí)間可以縮短一半。

分子育種還能降低田間測試材料數(shù)量。假設(shè)有2個(gè)抗病材料，傳統(tǒng)育種方法需要足夠大的回交群體才可能獲得想要的材料，但分子育種技術(shù)可以通過基因型分型篩選，先把含有抗病基因的材料篩選出來，這樣就可以節(jié)省很多耕地。

還是以水稻為例，由于我國70%的淡水資源被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而農(nóng)業(yè)用水的70%又是由水稻消耗的。因此，我們更想要具有高產(chǎn)、抗旱性狀的水稻。培育出這種種質(zhì)資源，對(duì)于節(jié)約水資源、提高農(nóng)民收益等均有重要意義。

分子育種也和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一樣，需要上游先進(jìn)設(shè)備、儀器的支撐。

白皮書援引華大智造合作伙伴博瑞迪生物測算數(shù)據(jù)，依托華大智造DNBSEQ-T7超高通量測序儀，下游作物種企能平均縮短一半合格種源培育周期；選擇準(zhǔn)確率提高20%～30%；成本降低90%以上。

從這一角度來看，上游基礎(chǔ)支撐的發(fā)展已為中國生物育種從2.0常規(guī)育種向3.0分子育種發(fā)展掃清了技術(shù)障礙，甚至為國內(nèi)中、下游企業(yè)在“全基因組選擇”等分子育種前沿領(lǐng)域與跨國企業(yè)一較高下提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，將極大加速國內(nèi)分子育種產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

國內(nèi)育種分子科研與市場存在脫節(jié)現(xiàn)象

盡管上游不缺先進(jìn)設(shè)備，但國內(nèi)育種分子科研端與市場端依然存在脫節(jié)。

當(dāng)前科研院所仍是中國農(nóng)業(yè)育種領(lǐng)域的主力，擁有最豐富的育種資源和育種人才。而科研院所育種往往以申請項(xiàng)目和課題形式進(jìn)行，對(duì)基礎(chǔ)性、長期性、戰(zhàn)略性研究重視不足，育種研發(fā)與市場脫節(jié)，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化不足。

也就是說，以課題為核心的育種研發(fā)，和發(fā)達(dá)國家以市場為核心的育種研發(fā)相比，科研成果產(chǎn)業(yè)鏈無論是轉(zhuǎn)化速度還是轉(zhuǎn)化數(shù)量都會(huì)相對(duì)較弱。

而且，中國育種企業(yè)數(shù)量分散，行業(yè)集中度不高。面對(duì)國外巨頭，更是難以擰成一股繩，

以2020年數(shù)據(jù)來看，世界Top5種企分走了全球市場的半壁江山（52%）；而中國Top5種企的市占率卻僅占中國市場的12%；如果聚焦到種豬領(lǐng)域，全球Top3企業(yè)市占率達(dá)47%，中國Top3企業(yè)卻僅占中國市場的5%。中國種企規(guī)模小，格局分散，又會(huì)進(jìn)一步限制其科技投入能力。白皮書認(rèn)為，加快構(gòu)建商業(yè)化育種體系需要以企業(yè)為主體，引導(dǎo)科研院所育種人才、技術(shù)、材料等育種資源向企業(yè)流動(dòng)，最終通過“需求—研發(fā)—支撐”的市場化機(jī)制，推動(dòng)中國種業(yè)由大到強(qiáng)。

白皮書也指出，我國種業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)階段：“四自一輔”階段、“四化一供”階段、市場化改革階段、深化改革階段、發(fā)展變革階段。目前的發(fā)展變革階段，更需要龍頭企業(yè)和重點(diǎn)種業(yè)企業(yè)的作為。

如何提高育種的效率，培育更多具有優(yōu)良性狀的新型果蔬、糧食？可以將目的基因直接導(dǎo)入到受體細(xì)胞中、能夠精準(zhǔn)預(yù)測新作物表達(dá)性狀的分子育種技術(shù)就在蓬勃發(fā)展，與太空育種、雜交育種等多種育種技術(shù)一道，為中國農(nóng)業(yè)科技化添磚加瓦。

從單體價(jià)值角度，畜禽單價(jià)顯然高于作物，因此運(yùn)用分子育種技術(shù)的投入回報(bào)更高；如果將視角放寬到世代間隔來看，這一優(yōu)勢將更被放大。因此，白皮書指出，相較于作物育種，畜禽培育周期更長，世代間隔時(shí)間更久，分子育種帶來的收益自然更高。

比如，隨著人們對(duì)牛乳需求的多樣性提升，近年來，水牛奶也成為乳品消費(fèi)的新潮流。

其實(shí)中國數(shù)十年前，就引進(jìn)國外優(yōu)良品種水牛，通過雜交改良、橫交固定等育種方法，逐漸培育出了乳肉兼用型雜交水牛群體。但引進(jìn)國外優(yōu)良品種水牛進(jìn)行雜交改良工作所需時(shí)間周期長，且會(huì)導(dǎo)致我國水牛優(yōu)良品種的培育依賴國外核心種源，還可能導(dǎo)致國外水牛疾病傳播至國內(nèi)。因此，水牛業(yè)近年也在推行分子育種技術(shù)，開發(fā)水牛產(chǎn)奶性狀的遺傳力，為水牛優(yōu)秀品種后代的選擇提供依據(jù)。據(jù)了解，我們目前已經(jīng)鑒定出500多個(gè)與水牛產(chǎn)奶性狀相關(guān)的候選基因。

如有研究人員對(duì)384頭水牛SCAP基因（SCAP為SREBP “Sterol Regulatory Element Binding Protein” Cleavage-Activating Protein的縮寫，意指甾醇調(diào)節(jié)因子結(jié)合蛋白裂解激活蛋白）的分子特征、表達(dá)分析以及單核苷酸多態(tài)性與產(chǎn)奶性狀之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，在水牛SCAP基因鑒定出了11個(gè)SNP（Single Nucleotide Polymorphisms，指在基因組上單個(gè)核苷酸的變異），其中有 6 個(gè)與水牛 305d（理想狀態(tài)下，母牛年產(chǎn)1胎，干乳期60天，實(shí)際擠奶時(shí)間即305天）的產(chǎn)奶量顯著相關(guān)。

分子育種技術(shù)的興起，不僅為水牛潛力的開發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持，使水牛優(yōu)良性狀利用效率最大化速度加快，同時(shí)作為家畜分子育種技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域，也有利于畜牧業(yè)整體分子育種水平的提高。

白皮書指出，中國是全球第二大種質(zhì)資源庫，資源總量超過52萬份。但完成精準(zhǔn)鑒定的比例卻不足十分之一，未來中國分子育種發(fā)展既充滿挑戰(zhàn)，也蘊(yùn)含著巨大的機(jī)遇。當(dāng)然，這也需要國產(chǎn)測序儀相關(guān)企業(yè)持續(xù)推進(jìn)高通量測序技術(shù)的研發(fā)，降低分子育種應(yīng)用門檻。

各方努力提高分子育種種植面積

盡管在主糧上，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)“中國糧用中國種”，比如我國水稻、小麥兩大口糧作物自主選育品種的種植面積占到95%以上，但隨著氣候變化引發(fā)的水資源短缺、大風(fēng)暴雨等極端氣候多變，以及城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致的農(nóng)村勞動(dòng)力短缺，種田農(nóng)民日漸老齡化，田間管理缺少青壯勞力等諸多問題，也對(duì)種子提出了更高要求。如何節(jié)水節(jié)肥？如何抗病抗寒？如何抗倒抗旱？如何耐鹽耐堿？

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研究者李海泳、殷貴鴻就指出，借助分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）、轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，在小麥抗旱、抗病、抗穗發(fā)芽等性狀育種上，目前已經(jīng)有88個(gè)與抗旱、水分利用效率相關(guān)的數(shù)量性狀基因座（QTL）及其連鎖的分子標(biāo)記被報(bào)道，TaAＲFs、DＲEB等30多個(gè)小麥抗旱、水分高效利用相關(guān)基因被克??；這些抗旱相關(guān)基因被導(dǎo)入小麥后就能夠提高植株的抗旱能力；有140多個(gè)能夠抗葉銹病、稈銹病、白粉病、赤霉病、麥瘟病、葉枯病等多種病變的小麥近緣植物基因被正式命名，如偃麥草的抗黃矮病基因和冰草的多?；蛞呀?jīng)在小麥育種中發(fā)揮作用。

也就是說，我們需要小麥具有怎樣的性狀，就從基因?qū)用嫒ミx擇能夠起到作用的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源，包括近緣植物基因都可以利用到。

據(jù)報(bào)道，為找到抗病基因，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥種質(zhì)創(chuàng)新與利用團(tuán)隊(duì)僅2016年以來就分析了4.5萬株小麥實(shí)驗(yàn)群體，完成超過30萬次DNA擴(kuò)增。用了數(shù)年時(shí)間，才在全球首次從小麥近緣植物長穗偃麥草中克隆出抗赤霉病關(guān)鍵基因Fhb7，并揭示了其抗病分子機(jī)制。

小麥育種的“卡脖子”難題，就在于如何找到那些基因，從而能夠?qū)⑦@些良種推廣到中國大地上。李海泳、殷貴鴻就指出，目前我國小麥育種中存在的“卡脖子”問題主要有品種遺傳基礎(chǔ)狹窄、原創(chuàng)性分子育種技術(shù)缺乏和精準(zhǔn)的表型鑒定困難等。

正如芯片中有數(shù)以億計(jì)的晶體管一樣，種子里也有數(shù)以萬計(jì)的基因，在選育優(yōu)良性狀時(shí)，基因相互之間還有作用和影響。這就導(dǎo)致實(shí)際上能夠產(chǎn)生的變化，并不是數(shù)以萬計(jì)，而是幾何級(jí)數(shù)的變化。如何把優(yōu)良的基因發(fā)掘、鑒定出來，如何進(jìn)一步地雜交、分離、重組、篩選，如何對(duì)數(shù)以萬計(jì)的基因重新“排列組合”，這些難題，還有待中國產(chǎn)業(yè)界、科研界共同努力，逐步提高分子育種的種植面積。

分子育種不僅通過高產(chǎn)抗病實(shí)現(xiàn)在原土地上替換傳統(tǒng)育種，更可以通過耐寒耐冷增加耕種面積，從而保護(hù)18億畝耕地紅線。

據(jù)了解，超早熟大豆品種的育成，使我國黑龍江一些高緯度地區(qū)大豆生產(chǎn)邁上新臺(tái)階；耐旱作物和耐旱品種的選育，也為半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)步增長作出了貢獻(xiàn)。

分子育種，簡直就是上帝的手術(shù)刀，為農(nóng)業(yè)“刻劃”出無數(shù)具備新性狀的新品種。比如，不僅是增產(chǎn)，還可以增加營養(yǎng)、風(fēng)味等。如培育出能夠延緩餐后血糖上升、控制糖尿病病人病情的高抗性淀粉、高膳食纖維含量的小麥品種，或者能增強(qiáng)免疫力的高花青素、高維生素含量的小麥，或者對(duì)高血脂、高血糖、動(dòng)脈硬化等有一定療效的高麥黃酮小麥，微量元素易被吸收的低植酸含量、高植酸酶活性小麥等。

不過，由于小麥基因組龐大、遺傳轉(zhuǎn)化率低、目的基因有遺傳累贅等因素影響，分子育種技術(shù)在小麥上的應(yīng)用，目前還是落后于玉米、水稻等基因組較小的作物。而且，還有很多性狀沒有找到關(guān)鍵基因或有待進(jìn)一步細(xì)分篩選，如抗倒春寒、耐熱、抗穗發(fā)芽、抗莖腐病、抗蟲等。

在打好種業(yè)翻身仗上，小麥等品種依然需要國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界、科研界的通力努力，而其他作物同樣大有可為。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所劉哲源等研究者通過梳理專利發(fā)現(xiàn)，在蔬菜分子育種專利技術(shù)中，轉(zhuǎn)基因技術(shù)最先發(fā)展起來，專利申請量在2011年達(dá)到高峰。但由于轉(zhuǎn)基因技術(shù)具有基因敲除位點(diǎn)不可控、遺傳不穩(wěn)定、外源基因插入不可控以及不可避免插入標(biāo)記基因等問題，進(jìn)入21世紀(jì)后被新興的分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)逐步取代。分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)21世紀(jì)初開始盛行，2004年起就成為蔬菜分子育種的主要應(yīng)用技術(shù)，專利申請量遠(yuǎn)超轉(zhuǎn)基因、基因編輯、全基因組選擇等技術(shù)。

在權(quán)重上，目前全球蔬菜分子育種技術(shù)專利主要集中于番茄、黃瓜、白菜和辣椒等。但人類需要具有優(yōu)良性狀的瓜果蔬菜何止千萬種，借助分子育種技術(shù)，不僅要讓番茄、黃瓜具有更多新的口味和品種，還有讓更多瓜果蔬菜能夠成為餐桌上的新寵兒。

不過，劉哲源指出，在蔬菜專利申請上，中國是科研機(jī)構(gòu)為主，而美國則是以塞米尼斯蔬菜種子公司、陶氏益農(nóng)公司、陶氏杜邦先鋒公司等大型及跨國集團(tuán)為主，且中國在蔬菜分子育種相關(guān)專利中運(yùn)用較多的是分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，缺乏最近幾年新興的全基因組選擇技術(shù)、基因編輯技術(shù)等。

在分子育種技術(shù)上，中國還有很大發(fā)展空間。畢竟，相比于芯片，分子育種不缺上游設(shè)備，下游又有著極大需求，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也具有相當(dāng)水平。未來幾年，隨著高通量測序技術(shù)進(jìn)步帶來基因型分析成本的降低，以及科研機(jī)構(gòu)與下游產(chǎn)業(yè)合作的進(jìn)一步加深，產(chǎn)研轉(zhuǎn)化順暢之下，更多企業(yè)也將有機(jī)會(huì)在分子育種學(xué)術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化上獲益。

◎ 來源| 億歐網(wǎng)