“未來水稻”：你在多遠的未來？

俞慧友

“未來水稻”：你在多遠的未來？

俞慧友

“未來水稻”時代，是個增加了分子生物學技術“工具”的育種時代，能促使水稻產量、品質、抗性等的全方位、大幅度提升。

第19屆國際植物學大會活動之一的“2017年國家自然科學基金委員會與國際水稻研究所聯合研討會”在深圳舉辦。一種基于生物分子育種技術的“未來水稻”，受到廣泛關注。

據稱，“未來水稻”是在充分利用成熟的常規育種技術和水稻雜種優勢基礎上，對水稻某些重要農藝性狀施以基因技術為核心的分子設計育種，讓水稻育種更具針對性，使水稻個別性狀改良育種周期更短，從而培育出升級版的“超級稻”。

換言之，“未來水稻”時代，是個增加了分子生物學技術“工具”的育種時代，能促使水稻產量、品質、抗性等的全方位、大幅度提升。這種讓人充滿想象力的“新品”，究竟在多遠的未來？記者就此采訪了多位業內專家。

“分子技術”落腳點必須在“育種”上

“‘未來水稻’，是每個育種科學家都要思考的重大方向。目前，國際上很多專家都在通過研究未來氣候變化、人類對水稻食用的需求等因素，來預測‘未來水稻’需具有或應改良的優良性狀。‘未來水稻’代表研究方向，但不是某個具體的新水稻類型或獨立概念。”7月25日，中國工程院院士袁隆平團隊核心育種專家鄧啟云向記者表示。

作為超級稻二、三、四期百畝片攻關成功品種的培育者，鄧啟云是利用水稻亞種間雜種優勢和形態改良，通過常規方法育種的杰出代表之一。在他看來，“未來水稻”涉及的生物分子育種技術，是先進技術。不過，目前并不能完全支撐水稻育種改良。應用最多、最有效的，是針對水稻植株個別簡單遺傳性狀，如針對水稻稻瘟病、白葉枯病等抗病性進行抗性基因改良的“分子標記輔助育種技術”。

“常規育種并非生物分子育種技術的對立面。我們在育種實踐中也在逐步使用分子生物學家研究開發的前沿技術，比如分子標記輔助育種技術進行稻瘟病抗性改良，并培育出了可市場化的水稻品種。我們也在做基因編輯應用于育種的探索”，鄧啟云說。不過，他強調，“分子育種中，分子技術只是實現育種的手段，落腳點一定要在育種上。最終目標是為農民提供品質更好、抗病抗風險能力更強、環境更友好、產量更高的水稻品種。單一研究分子生物學的科學家，很難培育出可產業化的品種。分子育種更應該由有經驗、懂市場的育種家引導，分子生物學家參與，共同推進新技術在育種領域的發展。”

此外，超級稻常規育種，已建立起可成功利用雜種優勢的三系法、兩系法育種體系。但目前，分子育種尚未創造出大規模應用的新育種途徑。鄧啟云表示，作為農作物改良非常成熟的常規雜交育種技術，尚有產量、品質等性狀方面的提升潛力。“不過，分子育種技術隨著水稻基因組基因解析的不斷充實和完善，并充分利用成熟的現代雜交育種技術體系（而不是拋棄），必將為水稻增產提質帶來很大潛力”。

表現型數據資源共享成期待

中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員徐建龍介紹，生物育種技術廣義上分為分子標記輔助選擇育種和轉基因育種兩大類。其中，分子標記輔助選擇育種，針對農作物主要性狀進行改良。在改變農作物單個或少數抗性性狀上，應用較為有效。而在這類輔助選擇育種中，全基因組選擇育種則較為“上乘”，是常規分子輔助育種的“升級版”，針對的是數量性狀改變。但數量性狀易受環境影響，需同步改變多個基因選擇。因此，難度較大。“真正的全基因組選擇技術，目前的應用效果并不太好。它的育種成本也很高。國外種業企業如美國孟山都等，已開始應用并初見成效。國內仍在研究探索階段”。

另一大類，則是轉基因育種技術。其中派生出了基因組編輯技術，這是通過對生物基因組特定靶位點進行定向改變的新技術，被喻為“遺傳手術刀”，在農作物分子遺傳改良育種上已呈現出廣闊的應用前景。“基因編輯育種，雖然利用了轉基因技術，卻并不含轉基因成分”，徐建龍說。不過，他表示，在我國實現全基因組選擇育種等，仍有很長的路。

生物育種領域讓人注目的，還有2015年，我國公開免費共享的3 000份綠色超級稻基因組原始測序數據，覆蓋了全球25萬份種質基因全部遺傳變異的95%。當年，一位超級稻科研工作者接受記者采訪時曾表示，該基因數據庫資源至少有兩方面用途：從基因庫調取數據，研究目標基因的分布、進化和功能；分析基因組間多態性位點，并開發分子標記，甚至是可用于分子育種的基因芯片。

中國農科院作物科學研究所研究員黎志康也表示，將這3 000份數據帶入水稻育種應用中，將為水稻育種創新提供材料和新思路，對數據的分析結果，還將填補人們對水稻甚至各個物種在基因組學方面的知識空缺。

然而，這也只是邁出的關鍵一步。國家千人計劃特聘專家、華智水稻生物技術有限公司李繼明博士表示，3 000份資源測序實現了序列信息共享。但更困難和重要的工作，是將這3 000份資源的各項表現型數據，如抗病蟲、抗逆、米質等，進行協調收集與共享，才能充分發揮測序資源的作用。

徐建龍稱，盡管目前明晰了“序列”，但尚無法“確定”基因。表型測量現為人工田間測量，工作量極大，但采用全基因組育種則相對容易。不過，它成本高昂，超出了國內現有多數企業的成本承受和考慮范疇，而我國亟待將種業做大做強，加速開展此類研究。華智水稻生物技術有限公司正積極申報湖南省全基因組重點實驗室，助推全基因育種研究發展。

我國升級版“超級稻”研究正興起

盡管“未來水稻”的未來還很遙遠，但我國科研人員也在此領域取得了一些研究進展。譬如，中國農科院中國水稻所、中國科學院遺傳與發育生物學研究所，與中國農科院深圳基因組所三方合作，以基因組測序的日本晴和9311為優良目標基因供體，對涉及水稻產量、稻米外觀品質、蒸煮食味品質、生態適應性等28個優良目標基因主動設計，以綜合品質差的超高產品種特青作為優良基因受體，定向選擇培育出廣兩優7203和廣兩優7217等國審新品種子。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所姚善國研究組，致力于東北粳稻多基因組裝設計育種研究，以歷史栽培面積最大的品種空育131為底盤，通過全基因組深度測序，發掘了系列相關性狀優良等位變異，并以空育131為基礎，培育出了水稻新品種中科902。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋、高彩霞兩課題組，利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術和高通量寡核苷酸芯片合成技術，對水稻全基因組進行大規模編輯，成功實現了水稻突變體的高通量快速構建和功能篩選。這既是獲得水稻重要突變體和快速克隆對應基因的有效方法，也能為水稻遺傳改良和分子設計育種提供重要途徑。