分子育种:实现玉米育种技术新突破

   日期:2019-12-02     来源:互联网    作者:admin    浏览:4    评论:0    
核心提示:玉米我国最重要的禾谷类作物之一。新中国成立以来,我国玉米单产和总产的增加很大程度上依赖于玉米育种水平的不断提高。在诸多增
玉米我国最重要的禾谷类作物之一。新中国成立以来,我国玉米单产和总产的增加很大程度上依赖于玉米育种水平的不断提高。在诸多增产因素中,玉米新品种的贡献率达到35%左右。”国家玉米改良中心副主任李建生对记者说。

  21世纪我国农业面临人口不断增加和农业资源不断减少的双重压力,为了实现粮食安全和生态安全、提高农业效益的战略目标,提高玉米产品的科技含量和玉米生产的产业化程度是一项重要举措。为此,国家“十一五”863现代农业技术领域设立了“植物分子与细胞高校育种技术与品种创制”重大专项,并于2006年12月启动了“高产优质多抗玉米分子品种创制”课题,主要对玉米育种技术开展研究,最终目的是提高产品的科技含量,并提高种业的竞争力。



  作为课题负责人,李建生说:“我们将充分利用基因组学和生物信息学的最新研究成果,开展玉米分子标记育种研究,构建分子育种技术体系,选育高产优质多抗玉米新品种,对提升我国玉米育种水平,保证国家粮食安全和增加农民收入具有重要意义。”



  开展玉米分子标记育种研究意义重大



  玉米我国最重要的禾谷类作物之一。



  “根据国家有关部门的统计,改革开放以来,在水稻,小麦和玉米三大禾谷类作物中,玉米是唯一播种面积呈逐年上升的禾谷类作物。”李建生说:“1977年玉米播种面积是1967万公顷,2003年达到2400万公顷,2007年达2700万公顷,而水稻和小麦的播种面积却在缓慢下降。按照这种发展趋势,在不久的将来,玉米可能成为我国第一大禾谷类作物。”



  同时他介绍,1977年我国玉米总产量为0.49亿吨,到2006年增加到1.45亿吨,增长了两倍左右。“我国玉米产量的增加很大程度上依赖于玉米育种水平的不断提高。在诸多的增产因素中,玉米新品种的贡献率达到35%左右。”



  他表示,21世纪我国农业面临人口不断增加和农业资源不断减少的双重压力,为了实现粮食安全、食品安全、生态安全、提高农业效益的战略目标,提高玉米产品的科技含量和玉米生产的产业化程度是一项重要举措。尽管传统育种技术在作物遗传改良方面取得了显著成就,但由于其选择效率较低、周期较长,已不能满足当前玉米生产对优良品种的需求。



  记者了解到,近20年来,随着植物分子生物学技术的发展和应用,对作物遗传育种产生了极其深远的影响。生物技术与常规育种技术的有机结合正孕育作物遗传育种的第三次技术突破。



  李建生介绍,自从模式植物拟南芥基因组全序列测序完成后,模式作物———水稻全基因组测序的完成和玉米全基因组测序的启动,为作物常规育种手段与分子标记辅助选择和转基因技术的有机结合形成了新的学科———农作物分子育种学,并成为作物遗传育种学新的生长点。



  “利用分子标记开展重要农艺性状和产量性状的定位,是分子育种的重要基础研究。”他表示,过去20多年来,分子标记技术以及QTL(数量性状基因座)定位方法的快速发展,为复杂数量性状的研究提供了强有力的手段。借助于覆盖全基因组的分子标记连锁图,利用合适的分离群体,已经定位了大量影响产量、农艺、品质、生物和非生物抗性等性状的QTL和基因。



  他告诉记者,在“十五”863计划的支持下,我国科研单位已开始分子育种的研究。其中,中国农业大学和中国农科院利用SSR分子标记分析了我国优良玉米自交系的遗传变异,对其进行了杂种优势群的划分,为更有效地利用我国现有的种质资源,进一步提高玉米杂种优

势水平提供了有价值的信息;中国农科院采用o2基因的SSR标记phi057,大规模开展了优质蛋白玉米分子育种材料创制,选育出优良自交系CD2和CD7,已配制出中试401等优良杂交组合;四川农业大学利用抗玉米纹枯病的QTL紧密相连锁的分子标记,对抗性分子标记辅助选择,获得多个高抗玉米纹枯病自交系。



  他说:“开展玉米分子标记育种研究,构建实用、经济、高效的分子育种技术体系,选育高产优质多抗玉米新品种,实现玉米育种理论和关键技术的新突破,对提升我国玉米育种水平,保证国家粮食安全和增加农民收入具有重要意义。”



  我国将建立以育种为目的的分子标记开发技术体系



  “十一五”863“高产优质多抗玉米分子品种创制”课题于2006年12月正式启动。



  “本课题涉及的主要研究技术均是国内外当前应用较为成熟的技术。课题使用的关键材料都由课题参加单位自主研制,具有自主知识产权。课题研制的玉米新材料、培育的玉米新品种均可以申请植物新品种保护。课题开发的功能基因标记也可以申请专利保护。”李建生自豪地表示。



  他介绍,课题的主要研究内容包括:



  玉米重要性状分子标记的开发———针对我国玉米优势区玉米生产的主要问题和种子市场对玉米新品种的需求,在前期对玉米重要性状基因/QTL定位的基础上,采用基因组学和生物信息学等学科的先进技术,发掘有育种价值的实用分子标记,并直接应用于玉米育种。根据性状的重要性和研究基础,采用关联分析方法,重点开发玉米抗矮花叶病毒病、高油、高赖氨酸、高维生素A源性状的功能分子标记;采用比较基因组研究策略,寻找玉米抗旱的候选基因,通过序列分析和抗旱性评价,发掘玉米抗旱的功能标记。利用方便快捷的分子标记技术,深入开展玉米抗丝黑穗病、抗穗粒腐病、抗纹枯病、玉米株高及产量性状QTL的精细定位、发展实用分子标记;利用分子标记定位玉米氮高效、磷高效、以及株型相关性状的QTL。



  玉米新材料和新品种的研制———以我国优良玉米自交系为材料,采用共同分子标记进行基因型分析,同时结合育种收集农艺、抗性和产量性状的表型数据及配合力数据,构建用于分子育种的优良玉米自交系分子标记数据库和表型性状数据库。利用已经获得的与抗性、品质及产量性状连锁的分子标记,筛选我国优良玉米自交系,进一步评估分子标记的育种利用价值,为组配优良玉米新组合提供信息。利用本课题重点开发玉米抗矮花叶病毒病、高油、高赖氨酸、高维生素A源性状的分子标记,以现有的高产玉米品种或组合的优良骨干亲本为受体,采用分子标记辅助选择方法,将其转育成抗病、优质新材料,并组配抗病、优质新品种。在利用分子标记筛选育种基础材料和划分玉米杂种优势群的基础上,结合玉米常规育种技术培育高产、优质、多抗玉米新杂交种,并进行试验、示范和推广。



  课题的预期目标是:获得玉米抗病、优质、高产、抗旱、营养高效性状的各类分子标记120至150个,其中可以直接用于育种的实用分子标记60至80个。建立以育种为目的的分子标记开发的技术体系。利用已经建立的分子育种技术,培育玉米抗病、优质、高产、抗旱、营养高效的自交系等材料30至50份。建立相应的分子标记辅助选择的技术体系。建成分子标记与表型性状相结合的分子育种数据库。采用分子育种与常规育种相结合的方法,育成高产多抗优质玉米新品种8至10个;优质专用玉米新品种3至5个。“十一五”期间,新品种累计推广面积2500万亩。申请分子标记辅助育种技术及功能型分子标记制种和发明专利8至10项。申请

新自交系和新品种保护权8至10项。培养硕士和博士研究生15至20名,培训技术骨干10人。在国内核心学术刊物上发表论文60至80篇,其中SCI收录论文20篇。



  课题进展显著,具备三大创新



  课题启动一年来,已在重要性状功能标记的开发、重要性状QTL定位及分子标记开发、玉米优良自交系的分子标记辅助改良、优良玉米杂交种的选育及专用品种的推广示范等方面取得了明显进展;共培育通过省级以上审定的优良品种9个,其中国审品种1个,省审品种8个;发表论文26篇,其中SCI论文7篇;培养硕士和博士研究生40名。



  李建生介绍,该课题共有三大创新点:应用基因组学、比较基因组学和生物信息学手段,以及关联分析的方法,开发玉米重要性状尤其是数量性状基因的功能分子标记;以优良玉米自交系为受体材料,通过分子标记辅助选择,创造抗病、优质的玉米新材料。这些优异材料不仅可以直接用于育种,而且可以为进一步研究玉米抗病、优质的分子生物学基础提供材料;通过分子育种与常规育种结合的方式,将高产的遗传背景与抗病、优质特性结合,培育高产、多抗、优质的玉米新品种。



  他表示,课题汇集了我国玉米育种实力最强的6个优势单位,包括:中国农业大学、中国农业科学院作物科学研究所、四川农业大学、河南农业大学、吉林省农科院和山东省农科院。他说:“课题组把全国玉米分子育种的优势人力、技术、基础、成果整合在一起,形成一个团队,将为完成本课题任务提供可靠的保障。”



  ■数字863



  “高产优质多抗玉米分子品种创制”课题起止年限为2006年12月至2010年10月。



  课题的预期目标是,获得玉米抗病、优质、高产、抗旱、营养高效性状的各类分子标记120至150个,其中可以直接用于育种的实用分子标记60至80个。建立以育种为目的的分子标记开发的技术体系。利用已经建立的分子育种技术,培育玉米抗病、优质、高产、抗旱、营养高效的自交系,渐渗系,近等基因系等30至50份。建立相应的分子标记辅助选择的技术体系。建成分子标记与表型性状相结合的分子育种数据库。采用分子育种与常规育种相结合的方法,育成高产多抗优质玉米新品种8至10个;优质专用玉米新品种3至5个。“十一五”期间,新品种累计推广面积2500万亩。申请分子标记辅助育种技术及功能型分子标记制种和发明专利8至10项。申请新自交系和新品种保护权8至10项。



  课题主持单位与5家合作单位签订了子合同,明确了各自的任务。课题开展一年来,已经进行了高油、高赖氨酸、高维生素A源的功能标记的开发玉米,共获得4个基因的功能标记;抗丝黑穗病、抗穗粒腐病、抗纹枯病、玉米株高等QTL定位,共定位了17个QTL、完成了玉米氮高效、磷高效、以及株型相关性状永久定位群体的构建;应用分子标记辅助选择改良玉米自交系的杂交和回交群体,并配置组合以鉴定优良的玉米杂交种,育成优良玉米杂交种9个,高产多抗优质新品种及优质专用新品种示范面积达到近170万亩。



  2006年度至2007年度,863项目专项拨款385万元,分两次下拨,分别为224万元和161万元。





用分子育种技术提高我国玉米种业竞争力

“近年来,玉米在粮食中的地位越来越重要。我国饲料、加工、能源等行业对玉米消费量的迅速增加,国内外市场供求关系日趋紧张。”李建生告诉记者。

  谈及国内玉米种业市场,他表示我国玉米种业市场巨大。“我国

玉米杂交种的覆盖率达到95%以上,99%的玉米品种具有我国自主知识产权;按近年平均玉米播种面积2500万公顷计算,每年的种子交易量可达9.37亿公斤,种子销售金额达93.7亿元。”他说,“国际跨国种子公司都瞄准了中国玉米种业市场。”



  为了适应市场的需求,2005年我国玉米面积已扩大到2630万公顷,总产达1.38亿吨,单产352公斤。但据预测,2010年我国玉米总需求约1.66亿吨。他认为,若按现有生产能力计算,要满足我国市场需求,形势十分严峻。为此,国家“十一五”863启动了“高产优质多抗玉米分子品种创制”课题,旨在通过分子育种技术,增强玉米种业的竞争力,提高玉米的产量。



  从“经验育种”变为“精确育种”



  “长期以来,我国玉米育种主要依靠常规技术,培育优良自交系和新品种很大程度上取决于育种家的实践经验,育种周期长、偶然性大、效率低,主要依赖国外种质资源和技术,自主的种质创新、技术研发等方面十分缺乏,相关种子产业发展不稳定,已不能满足当前玉米生产对优良新品种的需求。”李建生说。



  如何有效利用玉米自身的优良基因资源,提高玉米育种效率,持续提高玉米单产?如何利用外源生物的有利基因资源,提高玉米对生物及非生物逆境的抗性和玉米生产的效率?他认为,新发展的分子标记技术和转基因技术,将为解决玉米育种面临的挑战提供新的途经。



  他表示,“高产优质多抗玉米分子品种创制”课题紧紧围绕着目前玉米生产和育种对农业高技术的重大需求,拟建立分子标记和常规育种方法相结合的实用、经济、高效育种技术体系,将重点解决玉米抗病、耐逆、优质和养分高效育种材料匮乏、技术创新能力较低的问题。在创建抗病、耐逆、优质、高配合力种质和育种技术创新两个方面取得进展。课题完成后将建立高效玉米育种技术平台,有利于推动传统的“经验育种”向高效的“精确育种”转变,提升玉米育种效率和技术水平,有利于促进分子育种技术的推广应用;育成的新品种具有高产、优质、多抗、适应性广的特点,将会在我国玉米主栽区大面积推广,促进了品种更新换代的速度;创建的优良育种材料和自交系将在今后长期发挥作用,优异种质的创新,从源头上提高了我国玉米育种的创新能力和整体技术水平,因此本项目获得技术、材料、品种等成果市场应用和产业化前景广阔。



  全球种业市场中发展空间巨大



  种业是现代农业的核心,是具有巨大发展潜力的战略性产业。然而,目前全世界最大的22家种子公司都在发达国家,其中一半企业专营玉米杂交种子。



  不过李建生说:“虽然我国种业落后于发达国家,但玉米育种技术在发展中国家处于领先地位,全球种业市场留给我们的发展空间仍然巨大,尤其是南亚、东南亚和部分发展中国家有可能成为我们未来的市场。本课题旨在以技术和种质创新带动种子产业的发展,用高技术培植和提升现代种子产业。”



  他认为,与转基因技术不同,分子标记育种技术是利用现有的种质资源开展玉米种质改良和育种研究,不存在安全性和市场排斥等社会性和生态性风险。



  他向记者表示,课题育成的高产优质多抗高效玉米杂交种10个,在生产上累计推广2500万亩。按亩增产30公斤计算,可增产玉米75万吨,按1元/公斤计算,农民直接获利7.5亿元。种子企业通过开发这些新品种可创直接经济效益1.25亿元以上。同时,育成的高油、高淀粉、高赖氨酸等优质专用玉米杂交种在生产和加工上应用,农民、企业等又可获得很高的经济效益。同时,通过

项目的实施,可建立一支人员结构合理、学术水平较高并有丰富实践经验的分子育种研究队伍,培养出青年学术带头人,锻炼一批中青年科研骨干。



  课题启动一年,产业化成效显著



  如今,课题启动已超过一年。李建生表示,课题组已在产业化方面取得了一定的进展。



  他介绍说,课题组通过合资参股、品种转让、科研合作等方式与北京奥瑞金农业科技开发股份公司、安徽隆平高科农业科技开发有限公司、辽宁东亚种业有限公司、新疆康地、甘肃敦煌种业等企业建立了合作关系,其中豫单998以400万元的价格分别转让给安徽隆平高科等四家种子企业进行经营开发。



  同时课题组开发的抗矮花叶病、丝黑穗病和优质蛋白玉米基因的分子标记已用于对全国四家主要育种单位的育种材料进行目标基因的分子鉴定,共分析了61份材料。



  此外,龙单38品种生产经营权已转让给北大荒集团垦丰种业,该企业2007年生产龙单38种子300余万斤,预计龙单38玉米品种2008年推广面积将达到80万亩以上;龙单37品种生产经营权已转让给三北种业,2008年该品种推广面积将达到50万亩以上。





李建生:我的照片,网上肯定找不着

李建生是个相当低调的人。

  联系采访时,记者便碰了不少钉子。他几次推脱,理由除了最近忙,再就是“不想对个人进行过多的宣传”。



  采访中,他对自己的事几乎是只字不提,但说起他主持的863“高产优质多抗玉米分子品种创制”课题,却是滔滔不绝。



  “2007年4月,我国猪肉涨价45%%,达到每公斤14.5元;2007年4月美国牛奶涨价22%%,英国牛奶涨价15%%;2007年5月墨西哥玉米饼涨价。导致这些现象的直接的原因之一就是玉米涨价。”他对记者说,“可见,玉米在国民经济中的地位越来越重要。”



  李建生毕业于华中农业大学,长期从事玉米遗传育种和分子生物学的研究。刚毕业时,我国尚处改革开放初期,玉米育种技术比较落后,主要以传统育种方式为主。他说:“那时候,培育优良自交系和新品种很大程度上取决于育种家的实践经验,育种周期长、偶然性大、效率低。近20年来,随着植物分子生物学技术的发展和应用,对作物遗传育种产生了极其深远的影响。”



  他表示,近几年我国分子育种技术发展很快,在发展中国家处于领先地位。“‘十五’期间,在国家863项目的支持下,分子育种开始进入我国玉米育种程序。‘十一五’时期,玉米分子育种成为国家863项目重大专项的重要研究内容。目前我国的玉米分子育种技术已经取得了可喜的进展。”



  不过他认为,当前我国的技术水平和发达国家相比尚有差距。他介绍说:“根据美国农业部2005年玉米杂交种的数据,他们的分子技术育成的品种占52%%,传统育种技术品种只占48%%。我国目前远远低于这个水平。”此外,在研发投入方面,世界著名的先锋种子公司每年研发费用约5亿美元,其中50%%以上用于分子育种技术研发;孟山都种子公司每年研发费用达7亿美元,其中60%%以上用于分子育种技术研发。这些数字都大大高于我国。



  虽然差距明显,但李建生对我国分子育种技术的发展前景却充满了信心,这信心来源于他的团队。“课题汇集了我国玉米育种实力最强的6个优势单位,其中包括3个省级以上科研院所和3所农业大学。”他说,“全国玉米分子育种的优势人力、技术、基础、成果都整合在一起,将

为完成本课题任务提供可靠保障。”



  他表示,课题开展一年来,取得了显著成绩,同时也存在一定的技术难点,主要表现在:研究群体与育种改良群体不一致;开发的连锁标记有效性差,急需结合生物信息学、比较基因组学和功能基因组学等多学科联合开发功能基因标记;进一步尝试或加大标记辅助选择,评估标记育种效率。他认为:“应加大课题内课题组间的协作力度,进一步加强玉米分子标记开发技术和信息的沟通与合作;在此基础上,加强与国外主要科研单位的交流与合作。”



  采访结束,按照版面的要求,记者请李建生提供一张单人照片,然而他在电脑里翻来覆去,找出的全是在田间地头调研时拍的照片,不但不是单人照,几乎连正脸都看不清。怕耽误他的时间,记者提出回家上网搜索,他却一挥手笑道:“不用上网搜,网上肯定找不到。”

 
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