突破种业关键核心技术，七大农作物育种迈上新台阶

文/中国农村技术开发中心

保障国家粮食安全和生态安全是关系我国国民经济发展和社会稳定的全局性重大战略问题。习近平总书记多次强调，要下决心把我国种业搞上去，抓紧培育具有自主知识产权的优良品种。

农作物优良品种是农业增产的核心要素，是种子产业发展的命脉。大力发展现代农作物育种技术，强化科技创新，创制重大新品种，对驱动我国农业生产方式转型发展、提升种业国际竞争力、保障粮食安全和农产品有效供给具有重大战略意义。

“七大农作物育种”重点专项（以下简称“育种专项”）是国家重点研发计划2016年度启动的生物种业领域的唯一专项。项目启动实施以来，按照“加强基础研究、突破前沿技术、创制重大品种、引领现代种业”的总体思路，以水稻、玉米、小麦、大豆、棉花、油菜、蔬菜等七大农作物为对象，围绕种质创新、育种新技术、新品种选育、良种繁育等科技创新链条，重点突破基因挖掘、品种设计和种子质量控制等核心技术，获得具有育种利用价值和知识产权的重大新基因，创制优异新种质，形成高效育种技术体系，水稻、小麦和玉米等七大农作物综合增产贡献率由45.0%提高到54.9%，增加了9.9个百分点；综合育种效率由0.502提升到0.759，提高了51.11%，引领我国农作物育种科技发展方向，保障我国农作物种业安全。

种质资源是推动现代种业创新的物质基础、推进农业高质量发展的“芯片”，是保障国家粮食安全、建设生态文明、维护生物多样性的战略性资源。（资料图）

创制优异种质资源，为新品种选育奠定重要基础

种质资源是推动现代种业创新的物质基础、推进农业高质量发展的“芯片”，是保障国家粮食安全、建设生态文明、维护生物多样性的战略性资源。

随着种质资源利用价值越来越大，已事关国家核心利益，其保护和利用受到世界各国的高度重视。一是保护力度越来越大。呈现出从一般保护到依法保护、从单一方式保护到多种方式配套保护、从种质资源主权保护到基因资源产权保护的发展态势。二是鉴定评价越来越深入。对种质资源进行规模化和精准化鉴定评价，发掘能够满足现代育种需求的优异资源和关键基因，已经成为发展方向。三是保护和鉴定体系越来越完善。世界大多数国家均建立了依据生态区布局，涵盖收集、检疫、保存、鉴定、种质创新等分工明确的农作物种质资源国家公共保护和研究体系。四是共享利用机制越来越健全。随着《生物多样性公约》《粮食和农业植物遗传资源国际条约》等国际公约的实施，国家间种质资源获取与交换日益频繁，已经形成规范的资源获取和利益分享机制。

育种专项实施以来，在种质资源精准鉴定与创新利用取得重要进展，为新品种选育及基础研究提供了重要物质基础，为农作物育种及产业发展发挥重要作用。在国内外首次实现对15800份主要农作物种质资源开展多年多点精准鉴定的基础上筛选优异种质，通过关联分析批量发掘主粮作物育种关键基因。其中，小麦抗赤霉病基因等重要基因调控机理的解析，其创新性具有国际领先水平。同时，育种专项发掘创制的优异种质已向全国育种及研究单位提供利用14950份次，携带抗赤霉病基因小麦种质已发放60多家单位育种利用，为解决小麦赤霉病问题提供了“金钥匙”。

一是主要农作物种质资源规模化精准鉴定取得重要进展。针对作物育种需求，首次对水稻、小麦、玉米、大豆、油菜、棉花、蔬菜等主要农作物15880份种质资源开展大规模精准鉴定；表型精准鉴定采用多年多点方式，并与全基因组水平的基因型精准鉴定相结合；筛选综合性状优异的种质1290份，鉴定出抗病、抗逆特异种质1250份，解决了育种优异亲本匮乏的难题。

二是优异种质资源创新解决育种关键问题。以野生近缘植物和地方品种为供体，创制抗小麦赤霉病和纹枯病、抗水稻黑条矮缩病、抗旱玉米、高蛋白大豆等育种新材料3860份，解决了育种材料遗传基础狭窄、缺乏突破性种质的关键问题。

三是重要性状关键基因发掘取得突破性进展。克隆小麦抗赤霉病Fhb7基因并实现抗病基因的转育利用；发掘水稻穗粒数关键基因，为高产分子设计育种奠定基础；发掘玉米抗旱数量性状基因座169个，为抗旱育种提供基因资源；揭示棉花“鲁原343”优质纤维品质的形成机制；引进抗病基因区段，增强油菜对菌核病的抗性。重要性状关键基因发掘利用提升了作物分子育种水平。

四是优异种质资源育种利用取得显著成效。育种专项筛选的优异与创新种质已提供育种利用14950份次，为我国主要农作物育种及其种业的绿色和可持续发展提供了有力的物质支撑与保障。

定位克隆有利基因，为分子设计育种提供路径

常规育种技术在现阶段，对作物遗传改良过程中育种时效性及产量品质等提高已处于瓶颈状态。正是基于对植物本身潜力发掘的研究，同时结合分子育种的手段，提出了农作物分子设计育种这个新概念，实现从传统的“经验育种”到定向、高效的“精确育种”的转化，大幅度提高育种效率，全面提升育种水平，培育突破性新品种。农作物分子设计育种克服了常规育种方法周期长、预见性差、选择效率低等局限性；并通过分子提取、克隆等手段打破物种界限，实现优良基因重组和聚合，能够对农作物品种改良定向选育，继而保证了产量品质上的新突破。

育种专项实施五年来，我国主要农作物基因组学研究得到了飞速发展。育种专项在深度解析基因组结构变异、基因组演变规律、关键农艺性状基因克隆和机理解析等领域取得了一系列前瞻性、引领性原创基础研究重大突破，精细定位和克隆了一批重要性状的有利基因，为农作物分子定向设计育种提供了重要基因资源与路径。

在水稻方面，育种专项首次发现自私基因系统控制水稻杂种不育性状，阐明了自私基因在维持植物基因组的稳定性和促进新物种的形成中的分子机制，通过建立毒性-解毒分子机制在水稻杂种不育上的普遍性，揭示了水稻籼粳亚种间杂种配子选择性致死分子机理为揭示水稻籼粳亚种间杂种雌配子选择性致死的本质提供了理论借鉴。在深入了解水稻杂种不育的分子遗传机理基础上，可利用基因编辑技术对具毒性功能的自私基因进行编辑删除，创制广亲和的水稻新种质，实现籼粳交杂种优势的有效利用，为籼粳亚种间杂交稻品种的培育提供基础。在氮营养利用效率方面，深度解析了水稻已知基因新功能，在分子水平阐明了“绿色革命”矮杆育种伴随氮肥利用效率低下的原因，同时首次从表观遗传学角度阐明氮素调控水稻分蘖生长的作用机制，从分子水平上揭示了“绿色革命”矮秆品种在高肥条件下增产的原因。这一发现丰富了对于赤霉素信号传递通路的认识，有助于培育绿色高产高效农作物新品种，从而找到了一条在保证粮食总产量不断提高的同时，提高了氮肥利用效率，降低了生产投入成本，减少了对环境造成的污染的可持续发展农业新途径。

在小麦方面，完成了小麦染色体级别的D基因组精细图谱的绘制；克隆了小麦太谷核不育基因和抗赤霉病基因，大幅度提高了小麦育种效率。根据新发现的抗赤霉病基因，育种专项选育抗赤霉病小麦品系37个，减少54亿元直接经济损失，减少农药使用成本约1.6亿元。

在玉米方面，育种专项完成了玉米自交系基因组高质量参考基因组序列组装和品种间基因组结构变异分析，并对玉米杂种优势形成机理有了新的解释，克隆了重要玉米叶夹角调控基因。玉米紧凑株型的分子调控网络的建立为玉米理想株型分子设计育种、培育耐密高产品种提供了理论和实践基础。玉米野生祖先种大刍草优良等位基因的发掘和利用是拓宽玉米种质遗传基础、打破育种瓶颈的有效途径。

另外，育种专项在番茄风味的物质基础遗传位点和调控基因以及辣椒基因组学和功能基因组研究也取得了突破性进展。

创新突破育种技术，加速高效育种体系建设

育种专项实施五年来，关键育种技术取得明显突破，分子设计育种技术及主要粮食作物基因编辑技术的突破，为未来品种设计及新品种培育提供了源动力，大大提高新品种培育的效率，加速了农作物高效育种体系的构建与快速应用。育种专项对杂优利用、细胞及染色体工程、诱变、分子标记、基因组编辑等育种关键技术进行创新完善，并创制出高产、优质、抗病虫、抗逆、资源高效利用、适合机械化等突破性育种材料及水稻、大豆等突变体库。

围绕水稻理想株型与品质形成的分子机理这一重大科学问题，育种专项鉴定、创制和利用水稻资源，创建了直接利用自然材料与生产品种进行复杂性状遗传解析的新方法；揭示了影响水稻产量的理想株型形成的关键基因和分子基础；阐明了稻米食用品质精细调控网络，用于指导优质稻米品种培育；示范了高产优质为基础的分子设计育种，为解决水稻产量品质协同改良的难题提供了有效策略。

育种专项成果“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”荣获2017年度国家自然科学一等奖。该成果引领了水稻遗传学的发展，是“绿色革命”的新突破和新起点。基因编辑加速野生植物驯化的首次突破，为未来作物精准设计提供了全新策略。Nature、ScienceNews等评论指出“该研究是基因组编辑技术加速野生植物驯化的范例”“基因组编辑可望用于将成千上万野生植物驯化成有应用价值的农作物”。

水稻新品种“嘉优中科6号”和“中科发5号”是利用分子设计育种技术体系培育出的理想株型水稻新品种，不仅为作物精准设计育种提供了新方法，新思路，更为未来作物育种技术更新奠定了坚实的基础，有力的推动我国农作物传统育种向高效、精准、定向的分子设计育种转变。

育种专项在单碱基编辑技术、基因精准调控及作物人工驯化上取得了连续突破，在推进植物基因组编辑技术创新的同时实现了作物遗传改良与育种应用。在水稻、小麦、玉米中创建了植物单碱基编辑系统，构建出更高效、编辑窗口更大的单碱基编辑系统，并在小麦、水稻及马铃薯实现了精准碱基替换；建立基因组编辑调控内源基因蛋白翻译效率新方法，创制了维生素C含量提高的生菜；成功地将多个产量和品质性状精准地导入野生番茄，使其在保持其耐盐碱和抗病的同时提高产量和品质，实现了野生植物的快速精准驯化。

加快新品种选育，保障粮食安全

育种专项通过分子设计、染色体细胞工程、诱变、杂种优势、常规育种等多种方法的有效结合，大大提高了新品种选育效率。育种专项实施五年来，培育优质、高产、抗逆和适宜机械化育种新品种共计1350个，其中国审品种534个，新品种累计推广2.5亿亩，取得了显著的经济与社会效益，为保障粮食安全和促进种业发展提供了重要科技支撑。

在水稻新品种方面，广适型水稻新品种“晶两优534”，比区试对照品种增产5%以上，达到国家3级以上优质米标准，抗稻瘟病，适应性广，累计推广880万亩；“华浙优 261”集高产（增产 7.02%）、优质（品质一级），广适性于一身，2020年通过长江上游地区国家审定，2020获第三届黑龙江国际稻米节金奖第一名。

在小麦新品种方面，广适高产稳产小麦新品种“鲁原502”，连续多年被列为农业农村部和省级主导品种，亩产突破800公斤，累计推广5738.5万亩，2019年获得国家科技进步二等奖；超强筋早熟抗病小麦新品种“济麦44”，被“首届黄淮麦区优质强筋小麦品种质量鉴评会”鉴评为超强筋品种，以1500万元实现了品种权转让，创我国优质小麦转让价格之最。

在玉米新品种方面，早熟宜机收强优势杂交种“京农科728”，突破了夏播玉米机收籽粒的技术瓶颈，累计推广面积超过1000万亩；耐高温热害玉米新品种“中科玉505”，在黄淮海夏玉米区居领先地位，累计示范推广超过1300万亩。

在棉花新品种方面，高产优质耐病棉花新品种“新陆中82号”，己成为第一师的主推优质品种并在南疆棉区推广70万亩以上。

在大豆新品种方面，高产、高油、多抗大豆新品种“合农75”，累计推广1059.6万亩，成为突破性大豆新品种。

在油菜新品种方面，抗根肿病强优势杂交油菜新品种“华油杂62R”，是我国第一个抗根肿病杂交油菜新品种，其选育为我国油菜根肿病抗病育种提供了有效资源和分子标记辅助选择技术，累计在我国油菜根肿病高发区示范应用12.05万亩；

在蔬菜新品种方面，高产优质大果朝天椒新品种“飞艳”，累计推广30万亩。

鉴定种子身份，构建农作物的指纹数据库

和人类一样，农作物也同样具有“指纹”，而且不同品种农作物的“指纹”绝对不会雷同。农作物的“指纹”是由农作物内的DNA决定的，它从分子水平上为农作物品种提供了一张身份证。有了它，农业专家就可以通过“指纹”显示出来的不同特性，快速、简便地完成农作物种子鉴定、质量监控，而且对于理清我国农作物种质的血缘关系、杂种优势群划分、种质创新及新品种选育都非常有帮助。

随着我国农作物品种数量剧增，以及海量的种质资源和育种材料，迫切需要更精准便捷地鉴定其遗传背景和明确其身份。育种专项基于大数据、多平台，确定了七大农作物品种身份鉴别的候选核心位点组合，建立七大农作物优异位点池，在农作物品种鉴定、优异位点开发共性技术等方面取得重要进展，主要农作物种子分子指纹检测技术不断优化，应用成效显著。

育种专项在已建立的玉米、水稻等SSR-DNA指纹技术基础上，研发建立了适用于KASP、芯片、定点测序等多技术平台的七大农作物高通量的SNP分子鉴定技术体系，制定出7项行业标准；基于标准样品、标准方法、核心位点组合，已在全球率先完成七大农作物5万多品种SNP-DNA标准指纹的构建，其中玉米25182个、水稻10001个，总数据量已达千万级；研发兼容多作物、多标记、多平台、标准统一的数据库管理系统，为多种作物开展DNA指纹数据库构建及查询、比对、分析提供关键技术和共享平台。

育种专项按照统一技术路线，各作物均选取代表性材料，通过全基因组重测序，数据挖掘、评估，建立从几百万（水稻）到几千万（玉米）数量级的优异SNP位点池，再综合利用生物信息学、分子遗传学等方法，筛选出几千至几万级的优异位点，研制定型7款高密度、高质量、高兼容性SNP芯片。其中玉米Maize6H-60K芯片已授权生产10万张，在多家大型种企中规模化应用。进一步分别从各作物的高密度芯片中确定几十至几百量级的基本核心位点，用于SNP-DNA标准指纹库构建和快速准确、经济简便的大规模检测应用；所研制SNP鉴定技术标准规范通过多角度评估测试显示与SSR、田间表型鉴定结果具有高度相关性和一致性。