【國家獎】保護與利用野生稻 維護國家糧食安全
從日前舉行的2017年度國家科學技術獎勵大會上獲悉,中國農業科學院作物科學研究所楊慶文研究員牽頭完成的“中國野生稻種質資源保護與創新利用”獲得國家科學技術進步二等獎。
野生稻是水稻品種改良重要的基因資源,也是國家重點保護野生植物,被譽為“植物中的大熊貓”。我國境內分布著三種野生稻:普通野生稻,藥用野生稻和疣粒野生稻,是世界上野生稻資源分布最豐富的國家之一。海南野生稻“野敗”不育基因的發現,成功實現了水稻的三系配套,解決了我國乃至世界糧食緊缺的問題。自20世紀80年代起,我國野生稻自然居群急劇減少,面臨野外滅絕危險。黨和國家領導人高度重視,多次做出重要指示,要求搶救和保護野生稻。同時,由于野生稻遺傳異質性高、不利基因出現頻率高且多與有利基因連鎖等因素的影響,利用野生稻進行水稻品種改良周期長、成功率低。如何克服野生稻資源利用中的障礙,提高野生稻優良基因發掘和利用效率一直是國內外水稻專家孜孜追求的目標。
中國農業科學院組織全國優勢單位力量,組成了以楊慶文研究員為首席專家的野生稻研究團隊,歷時18年,系統查清了全國三種野生稻居群的精準信息,采集并保存了野生稻種質資源19153份,為我國水稻育種和種質資源研究提供了豐富的基礎材料;研發的原生境保護技術,保護了包括大量的野生稻極度瀕危居群和瀕危居群;鑒定的野生稻優異資源和創新的種質被全國100多家單位利用,育成水稻新品種114個,新增產值44.14億元。社會經濟效益顯著。
系統調查,首次獲得全國野生稻資源的精準信息
我國的三種野生稻分布于南方的江西、湖南、福建、廣東、廣西、云南、海南七省區。主要生長于700米以下的江河流域,平原地區的池塘、溝渠、沼澤等濕地。以往的野生稻調查收集缺乏統一的技術和標準,分布點位置、面積等全部依靠人工記載,地點只能到小地名。項目組在總結以往調查經驗基礎上,創建了以GPS精細定位為基礎、以居群的地形、氣候、土壤、小生境、伴生植物以及當地民族、文化、習俗、農民認知等為技術指標的野生稻調查技術體系。組成嚴格培訓的專業調查隊,對七省區及適合野生稻生存的浙江、江蘇和貴州三省進行全面調查。發現我國仍然只有三種野生稻且未發現新的分布省。原記載的三種野生稻已經喪失了76.41%,瀕危狀況十分嚴重。在以往調查未曾到達的偏遠地區新發現58個野生稻居群,其中廣東河源新發現的藥用野生稻為我國藥用野生稻分布最東限,向東擴展了1°30′E,該居群也為目前我國分布最北的藥用野生稻;云南普洱的疣粒野生稻為世界上唯一海拔超過千米的居群(1068m)。
項目組利用分子標記檢測研發了居群采集技術,設定居群遺傳多樣性閾值,結合遺傳多樣性分析,制定了取樣間距以及取樣數量的標準??朔艘酝鶓{經驗隨機取樣,取樣單株少,代表性差等問題。利用分子標記剔除重復后獲得野生稻資源19153份,是我國1996年保存總數(5599份)的3.42倍,極大地豐富了我國野生稻基因庫。同時,按照野生稻種質資源描述規范和數據標準,對野生稻形態性狀和典型特征進行標準化,結合居群GPS定位信息及圖像信息,建立了包括所有居群地理信息、生態環境、特征特性、典型特點等基本信息以及棲息地、野生稻單株及其典型特征等圖像信息的GPS/GIS信息系統,并納入國家農作物種質資源信息系統,實現了國內用戶的信息共享。使野生稻基礎研究者和育種家在未來任何時期都能隨時準確獲得任一居群的全部信息,開展跟蹤監測、保護生物學研究、起源進化和利用研究等,還可為農業部制定保護規劃提供科學依據。
科學保護,在國際上率先實現了野生稻瀕危居群的原生境保護
我國已形成了野生稻種質庫和種質圃相結合的異位保存體系,但尚無異位保存技術標準。項目組集成國內外野生稻種質庫、種質圃保存技術,并根據國際發展趨勢,優化各項技術指標,制定了《農業野生植物異位保存技術規程》,由農業部發布實施。按規程入庫入圃安全保存了從694個居群19153份,最大限度地保證了野生稻的遺傳多樣性。
野生稻分布范圍廣,生態環境復雜,確定重點區域和重要居群是原生境保護的關鍵。項目組進行了中國野生稻遺傳結構和生態環境特點研究,發現廣東廣西南部和海南北部為我國普通野生稻和藥用野生稻的遺傳多樣性中心、海南和云南西南部為疣粒野生稻遺傳多樣性中心、北回歸線以南的珠江流域為我國水稻起源中心、野生稻遺傳結構受山體阻隔且具有典型的流域特征等特點,且江西東鄉、湖南茶陵、云南元江等邊緣居群生態環境脆弱。確定了以廣東廣西南部和海南北部為重點區域、其它區域按山體和流域確定重點居群、優先保護邊緣居群的原生境保護策略。結合瀕危狀況調查,明確提出了23個極度瀕危的野生稻居群,列入了農業部生物資源保護規劃。
項目組在在野生稻資源調查過程中,對野生稻居群的威脅因素進行了系統分析,結合對野生稻居群分布、生態環境、交配系統、遺傳侵蝕、外來入侵物種、人畜活動、伴生植物、當地農民素質等因素的綜合分析,研制了威脅因素評估技術,闡明了導致野生稻不同居群的致瀕因素。創立了適宜不同生態環境和社會經濟條件、以消除主要威脅因素為導向的原生境保護技術。制定了《農業野生植物原生境保護點建設技術規范》行業標準。應用原生境保護技術,指導建設了65個野生稻原生境保護點(30個國家級、35個省級),在30個國家級保護點中,保護了列入農業野生植物原生境保護規劃中的23個極度瀕危居群。原異位保護的野生稻數量均居世界第一。
創新利用,發掘的優異種質資源促進了水稻產業的快速發展
項目組研發了《農作物種質資源鑒定技術規程-野生稻》和《農作物種質資源評價技術規程-野生稻》兩個標準,對新收集的野生稻資源進行農藝性狀精準鑒定,對育種急需的目標性狀進行重點鑒定評價。共鑒定三種野生稻資源42239份(次),評價出抗病蟲、抗逆、優質等優異資源658份。其中,鑒定出在栽培稻中未發現的高抗南方黑條矮縮病、抗凍和強耐淹資源,為解決我國水稻生產出現的新病害南方黑條矮縮病和直播稻冷害嚴重、出苗差等重大問題儲備了豐富的基因資源。首次在稻屬植物中發現抗凍與耐鹽基因。
針對野生稻遺傳異質度高、育種利用難以穩定等問題,利用優異野生稻資源,整合遠緣雜交、胚拯救、花粉管導入與分子標記輔助選擇、基因聚合等技術,創制了503份目標性狀突出(抗病、抗蟲、耐旱、耐寒、耐熱、耐淹、大穗大粒等)的優異新種質。獲得的抗病、抗旱、耐瘠薄新種質突破了疣粒野生稻(GG基因組)資源利用的瓶頸;從江西東鄉野生稻與栽培稻雜交后代選育出抗凍的新種質是世界上僅有的能夠在北緯28°地區越冬的水稻材料;利用胚拯救和復合雜交育成將AA基因組的栽培稻和普通野生稻和CC基因組的緊穗野生稻(來自非洲)基因聚合,育成了一批株型緊湊、香味醇厚、抗稻瘟病的優質水稻新種質。極大地提高了野生稻資源的可利用性。
項目組創新了以信息化為基礎的共享利用技術,建立中國野生稻GPS/GIS信息系統并納入中國作物種質資源信息網,解決了野生稻保護和種質創新與育種家結合不緊密的問題。收集的新資源、鑒定評價獲得的優異資源及創新種質、新品種被全國育種、科研、教學和生產單位廣泛利用,實現了種質、技術和信息共享。全國213個單位(次)利用項目組提供的野生稻優異資源和新種質14015份(次),育成品種114個,累計種植面積2.3億多畝。2014~2016年推廣5282.16萬畝。項目組研制的技術、標準和產品已在野生稻保護和水稻育種中發揮重要作用,其廣泛應用將為野生稻長久保護和水稻產業發展產生深遠影響。
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