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张启发:水稻育种的研究、思考以及变革

 
撰文 | 马子颂
责编 | 陈晓雪
 
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去年六月,100多位诺贝尔奖获得者联名要求绿色和平组织停止反对基因修饰作物(GMO)。随着对食品需求的不断增长,中国也将面临着同样的问题:是该重新考虑和评估基因修饰作物了吗?水稻是中国乃至世界最重要的粮食作物之一。近年来,中国科学家在水稻功能基因组学研究领域取得了一系列的重要进展,包括基因和调控机制的研究以及育种平台和技术的开发。然而,与科学研究的进展相反,基因修饰作物在商业化、社会推广和政策框架方面仍有一些问题。《国家科学评论》(NSR)采访了华中农业大学教授、中国科学院院士张启发。关于水稻前沿研究以及转基因水稻的商业化,他与我们分享了自己的一些看法和见解。
 
中国在水稻基因组学领域取得大幅进步
 
NSR:请介绍一下近几年水稻研究及育种的重要进展。
 
张启发:水稻是第一个完成全基因组测序的作物,是功能基因组研究的模式植物。随着高通量技术手段的发展,近几年我们在水稻组学资源和技术平台、重测序、功能基因的克隆和调控网络的解析方面取得了系列重要成果。
 
(1)建立了水稻饱和突变体库。国际上各种类型的插入突变体超过67万份,大约30万个插入可定位于基因组上,根据目前的基因组注释,水稻有56797个基因位点,按每个基因至少有1个插入点来计,这些突变体已标记了70%以上的水稻基因。
 
(2)开发了基于新一代测序技术的高通量功能基因组研究平台。获得了来自446个普通野生稻品种和1083个栽培籼稻和粳稻品种的基因组序列,在此基础上进行了农艺性状的全基因组关联分析,鉴定出大量与性状相关的基因位点;中国农科院、华大基因和国际水稻研究所合作完成了全球3500份水稻核心种质的重测序工作,发现了数十亿记的SNP位点。
 
(3)建立了一个代谢组分析方法和代谢组平台。我国科学家建立了基于广泛定向代谢组分析的作物代谢组学研究平台,利用全基因组关联分析,定位了数百个控制代谢物含量自然变异的位点,获得了一批重要代谢物的候选基因,在此基础上通过遗传及生化分析,鉴定了部分基因的功能、解析并重构了水稻逆境抗性及营养成分相关的重要代谢途径。
 
(4)建立了高通量数值化表型观测平台。我国科学家研制了一种高通量水稻表型测量平台,可以自动获取水稻株高、叶面积、分蘖数等15个表型数据。按45秒测量一个植株计算,1天24小时可以测量1920个单株,填补了国际上水稻表型测量手段的空白。
 
(5)开发出水稻全基因组选择育种芯片。基于基因组测序和功能基因组研究的成果,研制出三个不同密度(RICE 6K、60K和90K)的具有我国自主知识产权的水稻全基因组育种芯片,已经成功地应用于水稻杂交群体分析、品种鉴定、定向改良以及分子设计育种实践等,在水稻遗传研究及育种应用中具有非常好的应用前景。
 
(6)确认了大量农艺性状的功能基因及其调控网络。近年来,国内外在水稻重要农艺性状基因克隆和调控机理方面取得了一些重要进展。国外研究发现超表达OsglHAT1基因增加粒重和产量,抗逆相关基因DRO1和HYR在干旱胁迫下也能提高水稻产量。OsFIE2参与形成水稻的多梳复合物,调控水稻种子灌浆。同时,克隆了调控根系结构的基因SPIKE和调控光合碳代谢路径的基因TGW6,这些都是影响水稻产量性状的基因。在抗逆基因方面,发现了光敏色素互作蛋白OsPIL1参与调控水稻节间伸长以及干旱胁迫下的反应,蛋白激酶PSTOL1维持水稻在低磷条件下的正常生长发育,RSS1蛋白参与逆境条件下细胞周期的调控并维持分生组织的活性。成功培育出了耐盐水稻品种Kaijin。在探究水稻体内金属元素及微量元素的转运机制及基因克隆也取得了重要进展。
 
我国科学家在水稻产量、株型、育性、抗逆等重要性状的功能基因克隆和分子机理方面的研究成果丰硕,发现了一大批具有重要应用前景的功能基因。尤其是:揭示了独角金内酯信号转导的“去抑制化激活”机制,为调控分蘖特性培育理想株型水稻建立了分子网络。从分子水平对水稻籼粳杂种不育和广亲和性基因S5的作用机理进行了比较完善的阐述,揭示了水稻籼粳杂种育性调控的分子机制,为水稻亚种间杂种优势奠定了基础。发现了一个控制水稻耐冷的基因组位点,揭示了来源于粳稻的等位基因较为耐冷的机理,或可应用于水稻耐冷性的改良。这三项成果分别发表在《细胞》(Cell)、《自然》(Nature)和《科学》(Science)上,代表了其研究领域的最高成就。
 
(7)转基因水稻的培育。我国培育的转基因抗虫水稻Bt汕优63和华恢1号于2009年获得“农业转基因生物安全证书(生产应用)”,该安全证书的有效期为5年。2014年,农业部再次颁发了转基因抗虫水稻的安全证书。
 
近五年来,《细胞》、《自然》、《科学》、《自然-遗传学》(Nature Genetics)、《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)、《植物细胞》(Plant Cell)和《美国科学院院刊》(PNAS)等高质量期刊发表的水稻基因的文章,有40%来自于中国科学家,反映了我国在水稻基因组学领域的大幅进步。
 
水稻单位产量有上限
 
NSR:如你提到的,基因修饰可以提高水稻产量。目前在实验室条件下能得到的水稻最高产量是多少?单位产量有没有一个理论上的最高上限值?
 
张启发:过去十多年,关于单个基因在特定的遗传背景下能大幅度提高产量的例子很多,国内克隆的多个基因(如Ghd7、Ghd8)都有这样的特点,但要使本已很优良的品种进一步提高产量就不容易了。
 
在特定的实验条件下高产的记录很多,而且不断被刷新,如马达加斯加有过每公顷21吨的记录,我国云南永胜多年前就达到每公顷18吨的产量。
 
水稻单位面积产量的上限值是科学家们多年来一直在探讨的问题。我个人认为是有上限的,这里涉及的因素很多。现在人们谈得较多的有光能利用效率,认为提高光能利用效率就能提高产量潜力。在一定阶段可能是这样。但随着育种水平的提高,最大的制约因素可能在于田间容纳量,即田间的群体结构及与之相适应的株型。对一个特定的地区,群体结构和株型何以能最大限度地利用光能,何以支撑最高的产量,目前大家都在讲的“设计育种”应该进行这方面的模拟和测算。
 
中国水稻育种的目标
 
NSR:提高产量是育种的目标之一,然而不同国家,甚至不同地区的水稻育种目标也不一样。中国水稻育种的目标和计划是什么?
 
张启发:长期以来,中国水稻生产面临一些重要问题,如:1)水稻单产持续徘徊不前;2)病虫害频发、化学农药过度施用、增产的压力和化学肥料的滥用,导致了资源环境与农业生产的尖锐矛盾;3)水资源匮乏与干旱;4)极端天气(如高温、冷害),等。这些问题对水稻生产和农业可持续发展构成了严峻挑战。
 
目前中国强调绿色发展作为长期目标,我们倡导培育绿色超级稻,要求新品种抗多种病虫,实现少打或不打农药;要提高品种对肥料的吸收和利用效率,大量减少化肥的施用;品种应具备节水抗旱的性状,减少水资源的使用和干旱造成的损失。
 
同时,通过水稻育种,我们应该致力于满足各类人群对稻米营养品质的需求,稻米中还应有提高人类健康水平的功能成分,这是目前稻米中所稀缺的。此外,水稻品种还应适应农业转型、机械化耕作、轻简栽培的需求。上述需求在不同的时期会赋予不同的内容,这就要求我们的育种目标和育种技术不断调整。在政府层面上,品种审定的办法也要不断地适应新形势。
 
基因编辑技术在作物育种上有巨大应用潜力
 
NSR:近年来的技术进步(如CRISPR基因编辑技术),对水稻等作物的研究和育种有着什么样的意义?
 
张启发:随着生物技术的飞速发展,新型基因操作技术不断涌现,近年来兴起的以CRISPR为代表的基因(基因组)编辑技术接近成熟,显示出强大的功能和广泛的应用潜力,将对作物的研究和育种带来深远的影响。具体来说,在基础研究方面,以CRISPR为代表的基因(基因组)编辑技术可以很简便地彻底失活或开启任意内源基因,从而可以广泛应用于基因功能研究。在育种方面,基因编辑技术产生的基因变异与传统育种技术利用的基因变异在分子水平上没有差异,现有的技术手段也不能对其进行区分,可以达到使用转基因方法培育“非转基因”产品的效果。目前大家都看到了基因组编辑技术在育种上的巨大应用潜力,但大规模的实际应用还要一定时间。
 
应积极促进转基因产业化发展
 
NSR:从实验室研究成果到商业化产品需要经历一个怎样的过程?
 
张启发:以转基因作物商业化为例,在实验室内培育出转基因材料之后,还需要经过中间试验、环境释放、生产性试验、安全证书申请等环节,在此期间还必须完成环境安全和食用饲用安全的充分评价。获得了安全证书之后,转基因作物还需要进入作物品种审定程序,还需要获得转基因种子的生产许可和经营许可,最后才能进入商业化生产。在顺利的情况下,完成这个过程需要10年以上。
 
2009年农业部给我们研发的转基因抗虫水稻“华恢1号”及“Bt汕优63”颁发了安全证书,事实上,该转基因材料1988年就已培育成功,1999年通过农业部组织的专家鉴定,显示出非常优良的抗虫效果。目前,我们与全国主要水稻产区的育种单位紧密协作,以“华恢1号”为亲本通过回交转育的方法,培育了一批抗虫性好,高产优质的杂交水稻组合,随时可以推向市场。虽然农业部给转基因抗虫水稻颁发了安全证书,但至今却没有出台配套的转基因水稻品种审定管理办法,这是目前的问题。
 
美国农业部2014年发表的数据表明,美国转基因抗虫玉米的产业化,使得近年来美国的玉米生产减少农药用量90%以上。如果我国抗虫水稻能产业化,也应该会产生类似的效果。美国的FDA近一年来先后批准了转基因苹果和转基因三文鱼的上市,虽然在世界上引起了不小的轰动,但并没有引起社会问题。因此,我们应该在中国社会澄清对基因修饰生物的担忧,积极促进我国转基因作物的研发与产业化发展。转基因产业化的发展,不仅可克服作物改良的技术瓶颈,还将解决我们所面临的食品安全问题的挑战。
 
英文原文2016年10月14日发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),原标题为“Research, rethink and revolutionize rice breeding: an interview with Qifa Zhang”。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR和牛津大学出版社授权刊发该文中文翻译。
 
如需阅读英文版,请点击以下链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nww056
 
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