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| 用基因技术设计未来水稻 | 发布于:2017/10/17 | |
| 水稻是我国60%以上人口的主粮，培育“高产优质”型超级水稻新品种，一直是稻米种业的长期奋斗目标。“一粒种子可以改变世界”，如何才能实现“多快好省”地培育出一粒好种子呢？隨着功能基因组的发展，育种学家提出“品种设计育种”，并认为这代表了水稻育种的发展方向。 何为未来水稻？这得从水稻育种说起。长期以来，水稻育种主要利用常规育种技术，选用两个在遗传上有一定差异、性状又能互补的水稻品种进行杂交，在后续世代连续选择符合育种目标的品系，或直接选择具有明显优势的第一代杂交种用于农业种植。 杂交品种常常比它们的亲株单产更高、更耐寒、抗倒伏性更强。这种“杂种优势”在农业中很普遍，在水稻种植中尤为明显。过去几十年间，常规育种技术的进步显著增加了水稻产量，彰显“杂种优势”的应用价值。 “杂种优势”由水稻的基因决定。一项分析显示，与能量代谢和传输相关的基因在高产杂交稻品种LYP9中特别活跃，说明这些基因可能在“杂种优势”的研究中特别重要。水稻的基因有着丰富的多样性和复杂的作用机制——在不同水肥条件和气候环境种植同样品种的水稻，长出来的稻子从外观到产量可能相去甚远。 用基因技术改变水稻育种方式有更多的现实考量。数据显示，受全球人口增长和可耕地总面积减少的影响，未来20年，水稻产量必须成倍增长才能满足全球需求。以基因技术为核心的分子设计育种让水稻育种周期更短、更有针对性，代表了水稻育种的发展方向。 除丰产性外，抗病性、优质性、广适性等特性也是水稻育种学家们不懈追求的目标。在分子育种时代，科学家可通过研究、设计不同农艺性状的基因来改善水稻植株，培育出“超级稻”的升级版——未来水稻。在“超级稻”的基础上，未来水稻还将具备高营养、多功能等特点，稻米食用者将有更多细分化、个性化的选择方案。 中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员徐建龙介绍，生物育种技术广义上分为分子标记辅助选择育种和转基因育种两大类。其中，分子标记辅助选择育种针对农作物主要性状进行改良。在改变农作物单个或少数抗性性状上，应用较为有效。而在这类辅助选择育种中，全基因组选择育种则较为上乘，是常规分子辅助育种的“升级版”，针对的是数量性状改变。但数量性状易受环境影响，需同步改变多个基因选择，难度较大。“全基因组选择技术在国外种业企业已开始应用并初见成效，国内仍在研究探索阶段。”徐建龙说。 另一大类则是转基因育种技术。其中派生出了基因组编辑技术，这是通过对生物基因组特定靶位点进行定向改变的新技术，被喻为“遗传手术刀”，在农作物分子遗传改良育种上已呈现出广阔的应用前景。 生物育种领域让人注目的，还有2015年我国公开免费共享的3000份绿色超级稻基因组原始测序数据，覆盖了全球25万份种质基因全部遗传变异的95%。该基因数据库资源至少有两方面用途：一是从基因库调取数据，研究目标基因的分布、进化和功能；二是分析基因组间多态性位点，并开发分子标记，甚至是可用于分子育种的基因芯片。 绿色超级稻项目首席科学家、中国农业科学院作物科学研究所黎志康博士表示，这项研究将加快规模化发掘水稻优良基因，突破水稻复杂性状分子改良的技术瓶颈，加快高产、优质、广适性新品种培育的进程，全面提升我国及全球水稻基因组研究和分子育种水平。 虽然3000份资源测序实现了序列信息共享，但更困难和重要的工作是将这3000份资源的各项表现型数据，如抗病虫、抗逆、米质等，进行协调收集与共享，才能充分发挥测序资源的作用。徐建龙称，尽管目前明晰了序列，但尚无法确定基因。采用全基因组育种相对容易，不过它成本高昂，超出了国内现有多数企业的成本承受和考虑范畴。而我国亟待将种业做大做强，加速开展此类研究。 当前，我国科学家已经确认水稻大量农艺性状的功能基因及其调控网络，国内多个研究团队在植株分蘖数调控网络、二代基因组测序的重要算法等项目取得多项国际领先成果。此外，中国农业科学院深圳农业基因组研究所配备了一个高性能计算中心作为硬件支撑，可同时组装10个农业大基因组，同时运行500个重测序计算，存储5000套基因组数据，实现超大规模农业生物信息学计算。 不过，从实验室研究成果到商业化产品，需经过中间试验、环境释放、生产性试验、安全证书申请等环节，这一过程至少需要10年以上。 在国际上，已有公司超前性地引入人工智能技术，为未来水稻产品研发加速。美国Atomwise公司开发的技术能通过强大的深度学习算法和超级计算机，在数百万个潜在目标中分析、预测并找出可能会对病虫害控制产生积极影响的分子。该技术还通过识别分子间相互作用模式进行深度自我学习，提高预测准确度。 高新科技对水稻育种的改造将指日可待。来源：发明与创新·大科技 |
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