基礎研究是科技創新的源頭,事關國家核心創新能力和國際戰略地位。
近日,中國農業科學院生物技術研究所所長李新海在接受《中國科學報》采訪時說,針對我國農業生物育種原始創新不足,種源對外依存度高,部分種源被國外壟斷的狀況,加強農業生物基礎研究是打好種業翻身仗的基礎和關鍵。
農作物基因組研究處于國際領先地位
李新海介紹,在國家科技計劃項目的長期布局和支持下,我國科學家在作物種業基礎研究領域取得了重大進展,突破了一系列重要科學問題和關鍵技術,部分研究領域已處于世界引領地位,實現了從基礎研究到應用研究的全鏈條創新,為保障國家糧食安全做出了突出貢獻。
首先,農作物基因組研究處于國際領先地位。我國自1998年參與國際水稻基因組測序計劃以來,在作物基因組學研究領域的實力不斷增強,并呈現出從參與到領導、從研究非主要作物到主要作物、從研究地區性作物到全球性作物的態勢,已處于國際領先地位。
李新海介紹,隨著測序技術的發展,我國已經實現對重要農作物,如水稻、小麥、玉米、大豆、油菜、棉花、蔬菜等作物基因組的測序或重測序,深入闡析基因組變異、染色體重組、基因組選擇與馴化機制。
其次,作物演化與性狀形成機理研究取得一系列重大突破。我國科學家已解析種質資源多樣性演化機制、雜種優勢形成機理、作物根際固氮和光合作用機制、作物與微生物互作機制、重要育種性狀形成的遺傳調控網絡,克隆了一批調控株型、品質、氮高效利用、抗旱、耐低溫、耐鹽堿、抗病、新型抗除草劑等具有重大育種價值的新基因。
再次,前沿理論指導育種技術革新取得初步成效。隨著基因編輯、合成生物、人工智能、大數據、傳感器等前沿交叉領域與傳統育種技術相融合,新一代育種技術正在向智能化、精準化發展。
聚焦作物種業重大科學問題和前沿關鍵技術
李新海說,中國農科院近年來堅持前沿基礎研究驅動農業產業發展的目標導向,聚焦作物種業重大科學問題解析和前沿關鍵技術創新,在作物高光效生物學基礎、人工高效固氮機理、作物育種遺傳改良規律、表觀遺傳與環境適應性等方面取得系列進展。
基因組研究在挖掘作物優良種質與優良性狀方面成果突出,保障糧食豐產的基因資源自主可控。例如,圍繞水稻和玉米的理想株型調控機理開展原創性研究,克隆數十個與水稻株高、分蘗、籽粒大小、根系發育、株型建成等相關的關鍵基因,明確了現代玉米育種過程中耐密株型的選擇規律及其基因組選擇與遺傳改良規律,挖掘出一批調控耐密株型、株高、開花、防御反應、光信號傳導和營養吸收利用相關的基因,創制一批育種新材料。
代謝組研究在提升農作物品質與安全方面發揮重要作用,為種業高質量發展提供關鍵支撐。植物次級代謝產物既具健康功效,也與食物的味道和營養密切相關。例如,獲得了控制番茄果實中營養物質和抗營養物質的3500多個信號位點和9萬多個eQTL 位點,發現了102個代謝物信號熱點區域,揭示番茄次生代謝產物與風味的關聯,繪制出品質改良行動路線圖。
表觀組研究開創第二層次調控作物產量和環境適應性研究,為實現作物增產與耐逆提供了新策略,擴展作物種業基礎研究的廣度和深度。例如,建立了DNA腺嘌呤和RNA甲基化表觀遺傳技術體系;開發出“單細胞分離和鑒定”技術體系。
合成生物學推動高光效和生物固氮等重大科學問題研究,提出新的解決路徑,驅動從“0”到“1”的源頭創新。例如,在作物高光效的生物學基礎研究方面,對比C3、C4植物葉片結構,揭示C4解剖學結構和生化途徑進化的遺傳調控網絡,模擬C4植物高光效回路的特點,設計并優化了6條新的光合作用通路,創制了一批具有類C4結構、光合效率提升的水稻材料。通過提高光合效率來增加產量潛力,將開啟第三次綠色革命。該研究目前處于國際領先地位。
微生態研究聚焦作物與微生物互作及與環境的交互適應,在促進種業可持續發展上發揮重要作用。例如,為應對生物脅迫與非生物脅迫對作物生產的影響,對病害、鹽害等逆境脅迫機理開展研究。
前沿技術與理論創新促進育種關鍵技術突破,提升育種水平,保障種業自主創新發展。例如,重點針對水稻、玉米等主要農作物開展育性、雜種優勢的研究,發現水稻“自私”基因,破解了自私基因在促進新物種形成中的分子機制,探討了毒性-解毒分子機制在水稻雜種不育上的普遍性,創制出廣親和的水稻新種質,實現秈粳交雜種優勢的有效利用。建立了可固定雜種優勢的水稻無融合生殖體系,實現了雜交稻無融合生殖“從0到1”的突破。
面向作物生物育種重大理論瓶頸問題
李新海指出,“十四五”期間,中國農科院將聚焦作物生物育種面臨的重大理論瓶頸問題,重點突破作物高光效和生物固氮的生物學基礎、優異種質資源演化規律、重要性狀協同調控機理、構筑作物智慧育種的遺傳理論體系。
他說,十四五期間,將重點突破作物高光效和生物固氮的生物學基礎研究;重點開展作物重要性狀形成與環境適應性機理研究;闡明作物雜種優勢形成的生物學基礎;系統研究作物優異種質形成與演化規律;推進作物設計育種技術基礎創新。