用基因技術(shù)設(shè)計(jì)未來水稻

用基因技術(shù)設(shè)計(jì)未來水稻

水稻是我國60%以上人口的主糧，培育“高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)”型超級(jí)水稻新品種，一直是稻米種業(yè)的長期奮斗目標(biāo)。“一粒種子可以改變世界”，如何才能實(shí)現(xiàn)“多快好省”地培育出一粒好種子呢？隨著功能基因組的發(fā)展，育種學(xué)家提出“品種設(shè)計(jì)育種”，并認(rèn)為這代表了水稻育種的發(fā)展方向。

從常規(guī)育種到分子設(shè)計(jì)育種

從常規(guī)育種到分子設(shè)計(jì)育種

何為未來水稻？這得從水稻育種說起。長期以來，水稻育種主要利用常規(guī)育種技術(shù)，選用兩個(gè)在遺傳上有一定差異、性狀又能互補(bǔ)的水稻品種進(jìn)行雜交，在后續(xù)世代連續(xù)選擇符合育種目標(biāo)的品系，或直接選擇具有明顯優(yōu)勢(shì)的第一代雜交種用于農(nóng)業(yè)種植。

雜交品種常常比它們的親株單產(chǎn)更高、更耐寒、抗倒伏性更強(qiáng)。這種“雜種優(yōu)勢(shì)”在農(nóng)業(yè)中很普遍，在水稻種植中尤為明顯。過去幾十年間，常規(guī)育種技術(shù)的進(jìn)步顯著增加了水稻產(chǎn)量，彰顯“雜種優(yōu)勢(shì)”的應(yīng)用價(jià)值。

“雜種優(yōu)勢(shì)”由水稻的基因決定。一項(xiàng)分析顯示，與能量代謝和傳輸相關(guān)的基因在高產(chǎn)雜交稻品種LYP9中特別活躍，說明這些基因可能在“雜種優(yōu)勢(shì)”的研究中特別重要。水稻的基因有著豐富的多樣性和復(fù)雜的作用機(jī)制——在不同水肥條件和氣候環(huán)境種植同樣品種的水稻，長出來的稻子從外觀到產(chǎn)量可能相去甚遠(yuǎn)。

用基因技術(shù)改變水稻育種方式有更多的現(xiàn)實(shí)考量。數(shù)據(jù)顯示，受全球人口增長和可耕地總面積減少的影響，未來20年，水稻產(chǎn)量必須成倍增長才能滿足全球需求。以基因技術(shù)為核心的分子設(shè)計(jì)育種讓水稻育種周期更短、更有針對(duì)性，代表了水稻育種的發(fā)展方向。

除豐產(chǎn)性外，抗病性、優(yōu)質(zhì)性、廣適性等特性也是水稻育種學(xué)家們不懈追求的目標(biāo)。在分子育種時(shí)代，科學(xué)家可通過研究、設(shè)計(jì)不同農(nóng)藝性狀的基因來改善水稻植株，培育出“超級(jí)稻”的升級(jí)版——未來水稻。在“超級(jí)稻”的基礎(chǔ)上，未來水稻還將具備高營養(yǎng)、多功能等特點(diǎn)，稻米食用者將有更多細(xì)分化、個(gè)性化的選擇方案。

表現(xiàn)型數(shù)據(jù)資源共享成期待

表現(xiàn)型數(shù)據(jù)資源共享成期待

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員徐建龍介紹，生物育種技術(shù)廣義上分為分子標(biāo)記輔助選擇育種和轉(zhuǎn)基因育種兩大類。其中，分子標(biāo)記輔助選擇育種針對(duì)農(nóng)作物主要性狀進(jìn)行改良。在改變農(nóng)作物單個(gè)或少數(shù)抗性性狀上，應(yīng)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(guī)分子輔助育種的“升級(jí)版”，針對(duì)的是數(shù)

圖/東方IC

人工智能為研發(fā)提速

量性狀改變。但數(shù)量性狀易受環(huán)境影響，需同步改變多個(gè)基因選擇，難度較大。“全基因組選擇技術(shù)在國外種業(yè)企業(yè)已開始應(yīng)用并初見成效，國內(nèi)仍在研究探索階段。”徐建龍說。

另一大類則是轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)。其中派生出了基因組編輯技術(shù)，這是通過對(duì)生物基因組特定靶位點(diǎn)進(jìn)行定向改變的新技術(shù)，被喻為“遺傳手術(shù)刀”，在農(nóng)作物分子遺傳改良育種上已呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

生物育種領(lǐng)域讓人注目的，還有2015年我國公開免費(fèi)共享的3000份綠色超級(jí)稻基因組原始測序數(shù)據(jù)，覆蓋了全球25萬份種質(zhì)基因全部遺傳變異的95%。該基因數(shù)據(jù)庫資源至少有兩方面用途：一是從基因庫調(diào)取數(shù)據(jù)，研究目標(biāo)基因的分布、進(jìn)化和功能；二是分析基因組間多態(tài)性位點(diǎn)，并開發(fā)分子標(biāo)記，甚至是可用于分子育種的基因芯片。

綠色超級(jí)稻項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所黎志康博士表示，這項(xiàng)研究將加快規(guī)模化發(fā)掘水稻優(yōu)良基因，突破水稻復(fù)雜性狀分子改良的技術(shù)瓶頸，加快高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣適性新品種培育的進(jìn)程，全面提升我國及全球水稻基因組研究和分子育種水平。

人工智能為研發(fā)提速

雖然3000份資源測序?qū)崿F(xiàn)了序列信息共享，但更困難和重要的工作是將這3000份資源的各項(xiàng)表現(xiàn)型數(shù)據(jù)，如抗病蟲、抗逆、米質(zhì)等，進(jìn)行協(xié)調(diào)收集與共享，才能充分發(fā)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。采用全基因組育種相對(duì)容易，不過它成本高昂，超出了國內(nèi)現(xiàn)有多數(shù)企業(yè)的成本承受和考慮范疇。而我國亟待將種業(yè)做大做強(qiáng)，加速開展此類研究。

當(dāng)前，我國科學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)水稻大量農(nóng)藝性狀的功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在植株分蘗數(shù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、二代基因組測序的重要算法等項(xiàng)目取得多項(xiàng)國際領(lǐng)先成果。此外，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所配備了一個(gè)高性能計(jì)算中心作為硬件支撐，可同時(shí)組裝10個(gè)農(nóng)業(yè)大基因組，同時(shí)運(yùn)行500個(gè)重測序計(jì)算，存儲(chǔ)5000套基因組數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模農(nóng)業(yè)生物信息學(xué)計(jì)算。

不過，從實(shí)驗(yàn)室研究成果到商業(yè)化產(chǎn)品，需經(jīng)過中間試驗(yàn)、環(huán)境釋放、生產(chǎn)性試驗(yàn)、安全證書申請(qǐng)等環(huán)節(jié)，這一過程至少需要10年以上。

在國際上，已有公司超前性地引入人工智能技術(shù)，為未來水稻產(chǎn)品研發(fā)加速。美國Atomwise公司開發(fā)的技術(shù)能通過強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)算法和超級(jí)計(jì)算機(jī)，在數(shù)百萬個(gè)潛在目標(biāo)中分析、預(yù)測并找出可能會(huì)對(duì)病蟲害控制產(chǎn)生積極影響的分子。該技術(shù)還通過識(shí)別分子間相互作用模式進(jìn)行深度自我學(xué)習(xí)，提高預(yù)測準(zhǔn)確度。

高新科技對(duì)水稻育種的改造將指日可待。（本刊綜合）※