用基因技術設計未來水稻

用基因技術設計未來水稻

水稻是我國60%以上人口的主糧，培育“高產優質”型超級水稻新品種，一直是稻米種業的長期奮斗目標。“一粒種子可以改變世界”，如何才能實現“多快好省”地培育出一粒好種子呢？隨著功能基因組的發展，育種學家提出“品種設計育種”，并認為這代表了水稻育種的發展方向。

從常規育種到分子設計育種

從常規育種到分子設計育種

何為未來水稻？這得從水稻育種說起。長期以來，水稻育種主要利用常規育種技術，選用兩個在遺傳上有一定差異、性狀又能互補的水稻品種進行雜交，在后續世代連續選擇符合育種目標的品系，或直接選擇具有明顯優勢的第一代雜交種用于農業種植。

雜交品種常常比它們的親株單產更高、更耐寒、抗倒伏性更強。這種“雜種優勢”在農業中很普遍，在水稻種植中尤為明顯。過去幾十年間，常規育種技術的進步顯著增加了水稻產量，彰顯“雜種優勢”的應用價值。

“雜種優勢”由水稻的基因決定。一項分析顯示，與能量代謝和傳輸相關的基因在高產雜交稻品種LYP9中特別活躍，說明這些基因可能在“雜種優勢”的研究中特別重要。水稻的基因有著豐富的多樣性和復雜的作用機制——在不同水肥條件和氣候環境種植同樣品種的水稻，長出來的稻子從外觀到產量可能相去甚遠。

用基因技術改變水稻育種方式有更多的現實考量。數據顯示，受全球人口增長和可耕地總面積減少的影響，未來20年，水稻產量必須成倍增長才能滿足全球需求。以基因技術為核心的分子設計育種讓水稻育種周期更短、更有針對性，代表了水稻育種的發展方向。

除豐產性外，抗病性、優質性、廣適性等特性也是水稻育種學家們不懈追求的目標。在分子育種時代，科學家可通過研究、設計不同農藝性狀的基因來改善水稻植株，培育出“超級稻”的升級版——未來水稻。在“超級稻”的基礎上，未來水稻還將具備高營養、多功能等特點，稻米食用者將有更多細分化、個性化的選擇方案。

表現型數據資源共享成期待

表現型數據資源共享成期待

中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員徐建龍介紹，生物育種技術廣義上分為分子標記輔助選擇育種和轉基因育種兩大類。其中，分子標記輔助選擇育種針對農作物主要性狀進行改良。在改變農作物單個或少數抗性性狀上，應用較為有效。而在這類輔助選擇育種中，全基因組選擇育種則較為上乘，是常規分子輔助育種的“升級版”，針對的是數

圖/東方IC

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量性狀改變。但數量性狀易受環境影響，需同步改變多個基因選擇，難度較大。“全基因組選擇技術在國外種業企業已開始應用并初見成效，國內仍在研究探索階段。”徐建龍說。

另一大類則是轉基因育種技術。其中派生出了基因組編輯技術，這是通過對生物基因組特定靶位點進行定向改變的新技術，被喻為“遺傳手術刀”，在農作物分子遺傳改良育種上已呈現出廣闊的應用前景。

生物育種領域讓人注目的，還有2015年我國公開免費共享的3000份綠色超級稻基因組原始測序數據，覆蓋了全球25萬份種質基因全部遺傳變異的95%。該基因數據庫資源至少有兩方面用途：一是從基因庫調取數據，研究目標基因的分布、進化和功能；二是分析基因組間多態性位點，并開發分子標記，甚至是可用于分子育種的基因芯片。

綠色超級稻項目首席科學家、中國農業科學院作物科學研究所黎志康博士表示，這項研究將加快規模化發掘水稻優良基因，突破水稻復雜性狀分子改良的技術瓶頸，加快高產、優質、廣適性新品種培育的進程，全面提升我國及全球水稻基因組研究和分子育種水平。

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雖然3000份資源測序實現了序列信息共享，但更困難和重要的工作是將這3000份資源的各項表現型數據，如抗病蟲、抗逆、米質等，進行協調收集與共享，才能充分發揮測序資源的作用。徐建龍稱，盡管目前明晰了序列，但尚無法確定基因。采用全基因組育種相對容易，不過它成本高昂，超出了國內現有多數企業的成本承受和考慮范疇。而我國亟待將種業做大做強，加速開展此類研究。

當前，我國科學家已經確認水稻大量農藝性狀的功能基因及其調控網絡，國內多個研究團隊在植株分蘗數調控網絡、二代基因組測序的重要算法等項目取得多項國際領先成果。此外，中國農業科學院深圳農業基因組研究所配備了一個高性能計算中心作為硬件支撐，可同時組裝10個農業大基因組，同時運行500個重測序計算，存儲5000套基因組數據，實現超大規模農業生物信息學計算。

不過，從實驗室研究成果到商業化產品，需經過中間試驗、環境釋放、生產性試驗、安全證書申請等環節，這一過程至少需要10年以上。

在國際上，已有公司超前性地引入人工智能技術，為未來水稻產品研發加速。美國Atomwise公司開發的技術能通過強大的深度學習算法和超級計算機，在數百萬個潛在目標中分析、預測并找出可能會對病蟲害控制產生積極影響的分子。該技術還通過識別分子間相互作用模式進行深度自我學習，提高預測準確度。

高新科技對水稻育種的改造將指日可待。（本刊綜合）※