核心提示
(資料圖片)
為什么有的水稻品種耐旱，有的不耐旱，有的抗病，有的不抗病，有的自帶清香，有的不帶清香？
近年來(lái)，福建省水稻育種工作者深入基因?qū)用妫谱g水稻遺傳密碼，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種研究與實(shí)踐，進(jìn)行一場(chǎng)水稻育種的“精準(zhǔn)革命”。
建寧縣溪口鎮(zhèn)楓元村雜交水稻制種基地的水稻 肖開(kāi)涯 攝
尋找水稻耐旱“開(kāi)關(guān)”
春耕時(shí)節(jié)，福州市科技情報(bào)研究所科技下鄉(xiāng)服務(wù)團(tuán)隊(duì)來(lái)到羅源縣松山鎮(zhèn)北山村，開(kāi)展農(nóng)技指導(dǎo)。一見(jiàn)到城里來(lái)的水稻專家，于國(guó)胤就迫不及待提出了技術(shù)需求：“能不能推薦幾個(gè)耐旱品種？”
于國(guó)胤是羅源縣北山灣農(nóng)業(yè)合作社理事長(zhǎng)，合作社的120多畝耕地連年種植水稻。去年夏天的那場(chǎng)旱情，讓他心有余悸。“一連熱了兩個(gè)月，沒(méi)下幾場(chǎng)雨，又趕上中稻拔節(jié)孕穗期，花粉活性下降，影響了結(jié)實(shí)率。”面對(duì)極端天氣，于國(guó)胤在田埂上急得團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)。后來(lái)，他不得不打機(jī)井引水，并在農(nóng)技專家的建議下調(diào)整施肥方案，才勉強(qiáng)保住了產(chǎn)量。
之后，于國(guó)胤就產(chǎn)生了引種耐旱品種的想法。一直關(guān)注“三農(nóng)”動(dòng)態(tài)的他，不久前從報(bào)紙上看到了一則利好消息——《水稻耐旱“開(kāi)關(guān)”，找到了》。這里的“開(kāi)關(guān)”，指的是被稱為“IPA1”的水稻基因。省農(nóng)科院水稻抗逆分子育種研究團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱“研究團(tuán)隊(duì)”）最新發(fā)表的研究成果表明，該基因?qū)λ灸秃敌跃哂姓{(diào)節(jié)作用。
為了找到這個(gè)“開(kāi)關(guān)”，該團(tuán)隊(duì)花了十余年時(shí)間。
“我國(guó)農(nóng)業(yè)用水占總用水量的60%以上，水稻種植又是用水大戶。”省農(nóng)科院水稻研究所所長(zhǎng)張建福說(shuō)，每年，全國(guó)都有大量稻田因干旱或缺乏灌溉條件而減產(chǎn)。因此，提高耐旱性，一直是水稻育種的重要方向之一。
為什么有的水稻品種耐旱，有的不耐旱？為了讓育種更加有的放矢，張建福希望從基因?qū)用嫫谱g與水稻耐旱有關(guān)的“遺傳密碼”。
這里不能不提到明星基因“IPA1”。在水稻育種界，其更廣為人知的名稱是“理想株型基因”。理想株型是育種家們提出的概念，基本特征是莖稈粗壯、抗倒伏、穗子大、粒子多，這樣產(chǎn)量就高。2010年，中科院院士李家洋團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)了能夠塑造水稻理想株型的基因“IPA1”。
“既然它能夠調(diào)節(jié)水稻植株的形態(tài)，是否也有助于應(yīng)對(duì)干旱等逆境呢？”研究團(tuán)隊(duì)提出了假設(shè)。為了驗(yàn)證假設(shè)，首先需要觀測(cè)含有“IPA1”基因的稻株是否能應(yīng)對(duì)干旱脅迫。這個(gè)過(guò)程被稱為“表型鑒定”。
“可以通過(guò)化學(xué)劑誘導(dǎo)使植株細(xì)胞脫水，也可以在光照培養(yǎng)室中模擬干旱環(huán)境。”研究團(tuán)隊(duì)成員陳飛鶴說(shuō)，表型鑒定在水稻的“四葉一芯期”就要開(kāi)始，在歷經(jīng)10天的極端干旱后再恢復(fù)澆水。經(jīng)過(guò)多批次反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)：敲除了“IPA1”基因的水稻，存活率極低；過(guò)量含有“IPA1”的水稻，復(fù)水后收縮的葉片逐漸舒展。
可見(jiàn)，“IPA1”不僅能夠塑造水稻理想株型，還能賦予水稻耐旱能力。這個(gè)過(guò)程是如何發(fā)生的？這就需要進(jìn)一步摸清基因的作用機(jī)制，也就是解析“代謝通路”。
陳飛鶴正在做聚合酶鏈反應(yīng)試驗(yàn)。張輝 攝
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)時(shí)熒光定量、酵母單雜、凝膠遷移、雙熒光酵素酶等一系列復(fù)雜試驗(yàn)，解構(gòu)了這條通路：一方面，“IPA1”能夠激活另一耐旱基因“SNAC1”的表達(dá)，在與之互作中產(chǎn)生耐旱性；另一方面，干旱導(dǎo)致水稻植株中過(guò)氧化氫等物質(zhì)大量積累，“IPA1”則能誘導(dǎo)清除這些物質(zhì)以抵御干旱。
這一結(jié)論，為水稻耐旱找到了新的“開(kāi)關(guān)”，同時(shí)也進(jìn)一步證實(shí)，“IPA1”不僅僅是理想株型基因，還是個(gè)多功能基因。目前，研究團(tuán)隊(duì)正通過(guò)試驗(yàn)論證它是否能有效提高水稻對(duì)氮肥的利用率。
水稻基因的“解碼人”
尋找水稻耐旱“開(kāi)關(guān)”的背后，是科學(xué)家們年復(fù)一年的“解碼”之路。
“水稻是世界上最重要的糧食作物之一，育種技術(shù)的不斷突破，有效保證了糧食安全。”張建福說(shuō)，新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)水稻育種技術(shù)經(jīng)歷了多次迭代。
20世紀(jì)60年代，隨著矮稈水稻取代高稈水稻，我國(guó)水稻產(chǎn)量整體提升了30%。1973年，袁隆平院士團(tuán)隊(duì)在世界上首次育成秈型雜交水稻。隨后，水稻雜交技術(shù)開(kāi)始在全國(guó)推廣。這一突破，讓全國(guó)水稻再次增產(chǎn)20%。
當(dāng)時(shí)，全國(guó)稻瘟病頻發(fā)，高溫高濕的福建尤甚。“稻瘟病大面積減產(chǎn)乃至絕收，有的農(nóng)民指著農(nóng)田無(wú)奈地說(shuō)，放只雞下去都吃不飽。”中科院院士謝華安還記得當(dāng)年在三明、南平等地調(diào)研時(shí)的見(jiàn)聞。因此，他決定將選育抗稻瘟病雜交水稻品種作為主攻方向。
謝華安院士在福建南繁基地。（資料照片）
1983年，在世界稻作史上具有里程碑意義的雜交水稻品種“汕優(yōu)63”應(yīng)運(yùn)而生。由于抗稻瘟，且豐產(chǎn)性好，適應(yīng)范圍廣，該品種種植面積連續(xù)16年居全國(guó)首位，累計(jì)推廣近10億畝。
然而，無(wú)論是雜交技術(shù)，還是航天誘變育種，都屬于傳統(tǒng)育種范疇，存在著周期長(zhǎng)、效率低、不確定性大等短板。
“我們需要從海量種質(zhì)資源中篩選出可能有用的材料，做大量雜交組合，種子種到田間后觀察其表現(xiàn)，再經(jīng)一代又一代篩選，如此循環(huán)往復(fù)。”張建福說(shuō)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，對(duì)種業(yè)提出了更快、更新、更多元的需求。
以抗稻瘟病水稻為例，盡管抗病品種層出不窮，但病原菌也在協(xié)同進(jìn)化，需要不斷通過(guò)品種創(chuàng)新，持續(xù)構(gòu)建免疫屏障，抵御不同病原菌的進(jìn)攻。同時(shí)，高產(chǎn)不再是唯一的育種目標(biāo)，市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)、耐儲(chǔ)藏、功能性品種有了更大需求。
引入現(xiàn)代分子生物技術(shù)，提高育種效率，成為國(guó)際共識(shí)。
2002年，國(guó)際水稻基因組測(cè)序計(jì)劃工作組宣布，國(guó)際水稻基因組測(cè)序計(jì)劃圓滿完成，共測(cè)定12對(duì)染色體的3.66億個(gè)堿基。其中，中國(guó)獨(dú)立完成水稻第4號(hào)染色體精確測(cè)序，對(duì)該計(jì)劃貢獻(xiàn)率為10%。
“這相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻基因的精準(zhǔn)畫(huà)像。”張建福說(shuō)，這張“畫(huà)像”記錄了水稻DNA中數(shù)以億個(gè)堿基的排序，不同的片段序列對(duì)應(yīng)不同的基因。
但僅僅完成畫(huà)像還不夠——就好比面對(duì)一個(gè)陌生的英語(yǔ)單詞，你認(rèn)識(shí)每一個(gè)字母，卻無(wú)從知道不同字母組合對(duì)應(yīng)的具體含義。因此，完成水稻基因組測(cè)序后，擺在育種專家們面前的第二道難題，便是破譯“密碼”，挖掘功能基因。“什么樣的基因能夠讓水稻更耐旱？什么樣的基因能夠讓水稻更抗稻瘟病？”
多年來(lái)，張建福、謝華安領(lǐng)銜的水稻抗逆分子育種團(tuán)隊(duì)，一直扮演著水稻基因“解碼人”的角色。經(jīng)過(guò)他們年復(fù)一年的努力，一個(gè)一個(gè)水稻功能得以挖掘，一個(gè)個(gè)水稻遺傳密碼實(shí)現(xiàn)破譯——
去年11月，在持續(xù)研究20多年后，該團(tuán)隊(duì)在期刊《分子植物》發(fā)表論文，揭示了一種水稻稻瘟病抗性新機(jī)制。研究表明，蛋白質(zhì)“SH3P2”起到了“安全閥”的作用，能使稻瘟病抗性基因“Pib”在日常處于穩(wěn)定失活狀態(tài)，以減少能量消耗，遭遇病原菌入侵時(shí)，又能迅速激活其功能。
本月3日，該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《植物分子生物學(xué)》在線發(fā)表最新研究成果。該研究證實(shí)，“OsLOX10”基因有助于提高種子壽命，增強(qiáng)其耐儲(chǔ)藏能力，同時(shí)在耐鹽堿方面也起著至關(guān)重要的作用。
從“開(kāi)盲盒”到精準(zhǔn)育種
破譯了水稻遺傳密碼后，如何將其應(yīng)用到育種實(shí)踐？以分子標(biāo)記輔助育種為代表的分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)，正讓水稻育種從“開(kāi)盲盒”走向“精準(zhǔn)革命”。
去年豐收時(shí)節(jié)，黑土地上傳來(lái)好消息：在黑龍江省泰來(lái)縣示范種植的水稻新品種“閩龍1號(hào)”，在經(jīng)歷了北方稻區(qū)惡劣的天氣狀況下，依然實(shí)現(xiàn)了單季平均畝產(chǎn)干谷700公斤的好成績(jī)。
“閩龍1號(hào)”是福建省農(nóng)科院水稻研究所與黑龍江省農(nóng)科院生物技術(shù)研究所聯(lián)合培育的水稻新品種，該品種解決了第一積溫帶優(yōu)質(zhì)品種缺失、綜合抗性不強(qiáng)等問(wèn)題。在選育過(guò)程中，育種團(tuán)隊(duì)引入了分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，精準(zhǔn)定位抗病抗倒伏基因。
“常規(guī)育種中，要驗(yàn)證一份材料好不好，需要種到地里，全程監(jiān)測(cè)其表現(xiàn)，再?gòu)闹羞x優(yōu)汰劣，往往要多代多點(diǎn)栽培幾萬(wàn)個(gè)單株。”張建福說(shuō)，分子標(biāo)記輔助育種則把“海選”提前到了“賽前”。
簡(jiǎn)而言之，就是在秧苗下地前，就可以對(duì)葉片進(jìn)行“掃描”，看看其中是否含有所需要的基因，提前淘汰一部分“選手”，從而大大減少后期田間鑒定和篩選的范圍。
建寧縣溪口鎮(zhèn)楓元村雜交水稻制種基地 肖開(kāi)涯 攝
分子標(biāo)記輔助育種，極大提高了篩選效率，加速育種進(jìn)程。而隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、深度學(xué)習(xí)等現(xiàn)代科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，水稻育種逐漸實(shí)現(xiàn)智能化。
2021年，福建省作物全基因組選擇育種創(chuàng)新平臺(tái)投入使用。作為新一代育種技術(shù)，全基因組選擇可視為在系統(tǒng)思維下建立的育種模式。
“基因與性狀之間并非簡(jiǎn)單的一對(duì)一關(guān)系。”省農(nóng)科院生物技術(shù)研究所作物分子設(shè)計(jì)研究室副主任陳在杰說(shuō)，一個(gè)基因可能同時(shí)控制多個(gè)性狀，一個(gè)性狀可能受多個(gè)基因控制，不同基因之間可能相互協(xié)作，也可能相互限制，“全基因組選擇關(guān)注的不是單個(gè)基因，而是全套基因”。
也就是說(shuō)，系統(tǒng)在收集了大量基因數(shù)據(jù)和田間表現(xiàn)數(shù)據(jù)后，能夠自動(dòng)生成一套數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型。之后，拿到一份育種材料后，不用種到田里，只要提前“掃描”，系統(tǒng)就能自動(dòng)“算出”它高不高產(chǎn)、抗不抗病、耐不耐旱、耐不耐儲(chǔ)藏。
目前，該平臺(tái)已引入了高通量基因分型、水稻表型自動(dòng)化采集及稻米品質(zhì)分析等系統(tǒng)。這套系統(tǒng)，相當(dāng)于為開(kāi)展全基因組選擇育種提供了一套自動(dòng)化的“工具包”。
以全國(guó)首臺(tái)投用的國(guó)產(chǎn)水稻種子切片機(jī)為例，它能夠給水稻種子做“微創(chuàng)手術(shù)”——既能自動(dòng)切片取樣，用于分析基因型，又不影響種子日后正常萌芽。
“手工當(dāng)然也能切，但采樣板有96個(gè)小孔，時(shí)間一長(zhǎng)眼會(huì)花，效率也低。”省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物分子設(shè)計(jì)研究室副主任楊紹華說(shuō)，自動(dòng)化切割水稻種子，相當(dāng)于“螺螄殼里做道場(chǎng)”，技術(shù)難度很大。過(guò)去，這類設(shè)備主要依賴歐美進(jìn)口，不但價(jià)格貴，還不好買。
此外，該平臺(tái)的其他核心設(shè)備也都實(shí)現(xiàn)了“中國(guó)造”。它們能實(shí)現(xiàn)種子切片取樣、基因分析、表型采集、數(shù)據(jù)分析全流程自動(dòng)化。“以往，國(guó)外的設(shè)備、技術(shù)和配套試劑都是捆綁銷售，以至于檢測(cè)成本居高不下，一年掃描50萬(wàn)粒種子，要投入100萬(wàn)元。國(guó)產(chǎn)技術(shù)則將單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)檢測(cè)成本降低到了0.5元以下。”楊紹華說(shuō)，該平臺(tái)每日可自動(dòng)掃描并獲得3萬(wàn)個(gè)表型與基因型數(shù)據(jù)。
“當(dāng)數(shù)據(jù)積累到一定的程度之后，我們就可能坐在電腦前，像設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品一樣，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)出一個(gè)水稻新品種。”陳在杰說(shuō)。（記者 張輝 通訊員 胡海明 李平）