中國分子育種是保障農業安全的關鍵要素

都說中國是“種花家”，中國人是“種菜民族”。從小區綠化到南極科考，從普通農田到“天宮”空間站，哪里有中國人，哪里就會被我們撒下希望的種子。

比如神舟十四號乘組在進駐空間站期間，就完成了人類歷史上第一次太空水稻全生命周期培養實驗。從2022年7月29日注入營養液啟動實驗，至11月25日結束實驗，水稻種子在中國空間站內經歷了120天的空間培育生長，完成了 “從種子到種子”的發育全過程。

植物能夠在太空環境中完成世代交替，才能在食物上保證人類未來的太空長期駐留。此次在太空實現水稻“從種子到種子”，相比傳統的太空育種，是一次非常大的進步。

其實，太空育種是傳統誘變育種方法在航天領域的延伸，靠太空強烈的輻射作用誘發作物種子發生基因突變，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，因為變異完全靠隨機“碰運氣”。如何提高育種的效率，培育更多具有優良性狀的新型果蔬、糧食？可以將目的基因直接導入到受體細胞中、能夠精準預測新作物表達性狀的分子育種技術就在蓬勃發展，與太空育種、雜交育種等多種育種技術一道，為中國農業科技化添磚加瓦。

中國分子育種有很多優勢

在傳統育種技術上，中國也有著很多優勢。

比如雜交水稻等常規育種手段，就處于國際領先地位，助力我國水稻的增產與豐收。據統計，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；雜交稻比常規稻增產20%以上，每年增產糧食可養活7000萬人，約相當于一個湖南省人口；水稻更是以約占我國糧食總面積25%的播種面積，貢獻了近32%的產量。

作為主糧，水稻是全國近七成人口的主食。對中國來說，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、堅果、畜牧、水產，方方面面都需要優質的品種。而很多傳統的育種方式，也在向著高效、精準、定向的分子設計育種轉變。

而最近，億歐智庫聯合華大智造共同發布的《2022年中國農業分子育種行業發展白皮書》（以下簡稱“白皮書”）也指出，農業生物育種共分為四個階段，即1.0原始馴化選育階段、2.0常規育種階段、3.0分子育種階段、4.0智能育種階段。當前國際種業已經逐漸從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常規育種向3.0分子育種階段發展。

白皮書指出，面臨國內外生物育種技術的巨大差異以及日益動蕩的國際局勢，發展分子育種技術、推動分子育種產業化應用，既是保障中國農業安全的必然要求，也是中國生物育種產業從業者面臨的重大機遇。

分子育種與常規育種有著怎樣的區別呢？

常規育種一般是指利用系統選育、雜交育種和誘變（物理、化學和航天誘變）等選育新品種的方法。但育種時間長、效率低，還有可預測和可控制性差等種種缺陷，簡而言之，常規育種這種憑經驗選育的過程就像一個“黑匣子”。而分子育種是將分子生物學技術應用于育種中，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間上很有優勢。

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

分子育種還能降低田間測試材料數量。假設有2個抗病材料，傳統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業生產，而農業用水的70%又是由水稻消耗的。因此，我們更想要具有高產、抗旱性狀的水稻。培育出這種種質資源，對于節約水資源、提高農民收益等均有重要意義。

分子育種也和半導體產業一樣，需要上游先進設備、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據，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；選擇準確率提高20%～30%；成本降低90%以上。

從這一角度來看，上游基礎支撐的發展已為中國生物育種從2.0常規育種向3.0分子育種發展掃清了技術障礙，甚至為國內中、下游企業在“全基因組選擇”等分子育種前沿領域與跨國企業一較高下提供了堅實基礎，將極大加速國內分子育種產業化進程。

國內育種分子科研與市場存在脫節現象

盡管上游不缺先進設備，但國內育種分子科研端與市場端依然存在脫節。

當前科研院所仍是中國農業育種領域的主力，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目和課題形式進行，對基礎性、長期性、戰略性研究重視不足，育種研發與市場脫節，產業轉化不足。

也就是說，以課題為核心的育種研發，和發達國家以市場為核心的育種研發相比，科研成果產業鏈無論是轉化速度還是轉化數量都會相對較弱。

而且，中國育種企業數量分散，行業集中度不高。面對國外巨頭，更是難以擰成一股繩，

以2020年數據來看，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%；如果聚焦到種豬領域，全球Top3企業市占率達47%，中國Top3企業卻僅占中國市場的5%。中國種企規模小，格局分散，又會進一步限制其科技投入能力。白皮書認為，加快構建商業化育種體系需要以企業為主體，引導科研院所育種人才、技術、材料等育種資源向企業流動，最終通過“需求—研發—支撐”的市場化機制，推動中國種業由大到強。

白皮書也指出，我國種業發展經歷了五個階段：“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、發展變革階段。目前的發展變革階段，更需要龍頭企業和重點種業企業的作為。

如何提高育種的效率，培育更多具有優良性狀的新型果蔬、糧食？可以將目的基因直接導入到受體細胞中、能夠精準預測新作物表達性狀的分子育種技術就在蓬勃發展，與太空育種、雜交育種等多種育種技術一道，為中國農業科技化添磚加瓦。

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

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

其實中國數十年前，就引進國外優良品種水牛，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。但引進國外優良品種水牛進行雜交改良工作所需時間周期長，且會導致我國水牛優良品種的培育依賴國外核心種源，還可能導致國外水牛疾病傳播至國內。因此，水牛業近年也在推行分子育種技術，開發水牛產奶性狀的遺傳力，為水牛優秀品種后代的選擇提供依據。據了解，我們目前已經鑒定出500多個與水牛產奶性狀相關的候選基因。

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

分子育種技術的興起，不僅為水牛潛力的開發提供了強有力的支持，使水牛優良性狀利用效率最大化速度加快，同時作為家畜分子育種技術的一個重要領域，也有利于畜牧業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資源庫，資源總量超過52萬份。但完成精準鑒定的比例卻不足十分之一，未來中國分子育種發展既充滿挑戰，也蘊含著巨大的機遇。當然，這也需要國產測序儀相關企業持續推進高通量測序技術的研發，降低分子育種應用門檻。

各方努力提高分子育種種植面積

盡管在主糧上，我們已經實現“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的水資源短缺、大風暴雨等極端氣候多變，以及城鎮化發展導致的農村勞動力短缺，種田農民日漸老齡化，田間管理缺少青壯勞力等諸多問題，也對種子提出了更高要求。如何節水節肥？如何抗病抗寒？如何抗倒抗旱？如何耐鹽耐堿？

河南農業大學研究者李海泳、殷貴鴻就指出，借助分子標記輔助選擇（MAS）、轉基因等技術，在小麥抗旱、抗病、抗穗發芽等性狀育種上，目前已經有88個與抗旱、水分利用效率相關的數量性狀基因座（QTL）及其連鎖的分子標記被報道，TaAＲFs、DＲEB等30多個小麥抗旱、水分高效利用相關基因被克??；這些抗旱相關基因被導入小麥后就能夠提高植株的抗旱能力；有140多個能夠抗葉銹病、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?；蛞呀浽谛←溣N中發揮作用。

也就是說，我們需要小麥具有怎樣的性狀，就從基因層面去選擇能夠起到作用的優質種質資源，包括近緣植物基因都可以利用到。

據報道，為找到抗病基因，山東農業大學小麥種質創新與利用團隊僅2016年以來就分析了4.5萬株小麥實驗群體，完成超過30萬次DNA擴增。用了數年時間，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鍵基因Fhb7，并揭示了其抗病分子機制。

小麥育種的“卡脖子”難題，就在于如何找到那些基因，從而能夠將這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狹窄、原創性分子育種技術缺乏和精準的表型鑒定困難等。

正如芯片中有數以億計的晶體管一樣，種子里也有數以萬計的基因，在選育優良性狀時，基因相互之間還有作用和影響。這就導致實際上能夠產生的變化，并不是數以萬計，而是幾何級數的變化。如何把優良的基因發掘、鑒定出來，如何進一步地雜交、分離、重組、篩選，如何對數以萬計的基因重新“排列組合”，這些難題，還有待中國產業界、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抗病實現在原土地上替換傳統育種，更可以通過耐寒耐冷增加耕種面積，從而保護18億畝耕地紅線。

據了解，超早熟大豆品種的育成，使我國黑龍江一些高緯度地區大豆生產邁上新臺階；耐旱作物和耐旱品種的選育，也為半干旱地區農業生產的穩步增長作出了貢獻。

分子育種，簡直就是上帝的手術刀，為農業“刻劃”出無數具備新性狀的新品種。比如，不僅是增產，還可以增加營養、風味等。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，或者能增強免疫力的高花青素、高維生素含量的小麥，或者對高血脂、高血糖、動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、遺傳轉化率低、目的基因有遺傳累贅等因素影響，分子育種技術在小麥上的應用，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鍵基因或有待進一步細分篩選，如抗倒春寒、耐熱、抗穗發芽、抗莖腐病、抗蟲等。

在打好種業翻身仗上，小麥等品種依然需要國內產業界、科研界的通力努力，而其他作物同樣大有可為。

中國農業科學院生物技術研究所劉哲源等研究者通過梳理專利發現，在蔬菜分子育種專利技術中，轉基因技術最先發展起來，專利申請量在2011年達到高峰。但由于轉基因技術具有基因敲除位點不可控、遺傳不穩定、外源基因插入不可控以及不可避免插入標記基因等問題，進入21世紀后被新興的分子標記輔助育種技術逐步取代。分子標記輔助育種技術21世紀初開始盛行，2004年起就成為蔬菜分子育種的主要應用技術，專利申請量遠超轉基因、基因編輯、全基因組選擇等技術。

在權重上，目前全球蔬菜分子育種技術專利主要集中于番茄、黃瓜、白菜和辣椒等。但人類需要具有優良性狀的瓜果蔬菜何止千萬種，借助分子育種技術，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，中國是科研機構為主，而美國則是以塞米尼斯蔬菜種子公司、陶氏益農公司、陶氏杜邦先鋒公司等大型及跨國集團為主，且中國在蔬菜分子育種相關專利中運用較多的是分子標記輔助育種技術，缺乏最近幾年新興的全基因組選擇技術、基因編輯技術等。

在分子育種技術上，中國還有很大發展空間。畢竟，相比于芯片，分子育種不缺上游設備，下游又有著極大需求，相關科研機構也具有相當水平。未來幾年，隨著高通量測序技術進步帶來基因型分析成本的降低，以及科研機構與下游產業合作的進一步加深，產研轉化順暢之下，更多企業也將有機會在分子育種學術成果產業化上獲益。

◎ 來源| 億歐網