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全靠国产自育品种 小麦播种面积减少产量却大增

2021-04-16 08:28

  杂交小麦是世界上唯一尚未开发的主要粮食作物杂交种业,产业潜力巨大,预计每年可创造市场价值300亿元500亿元,国内市场每年可达30亿元50亿元,每年可减少灌水约10亿立方米,减少经济投入约10亿元。

  我国是世界上最大的小麦生产国和消费国。中国农业科学院近日公布的一组数据显示:我国小麦2020年播种面积比2011年减少2700万亩,但产量增加1300万吨。

  “一减一增的背后,是科技的力量。”中国农业科学院副院长、中国工程院院士万建民表示,“十三五”期间,中国农业科学院围绕小麦全产业链开展了“藏粮于技”重大科研任务,新育成一批具有国际领先水平的小麦新品种,而且我国小麦品种全部为国产自育,也就是说不依赖进口。

  “十三五”国家重点研发计划“七大农作物育种”重点专项,育成了广适高产稳产小麦新品种“鲁原502”和超强筋早熟抗病小麦新品种“济麦44”,前者连续多年被列为农业农村部和省级主导品种,亩产突破800公斤,累计推广种植5738.5万亩;后者获得品种转让收益1500万元,创全国最高纪录。

  近5年来,我国主要农作物基因组学研究取得飞速进展,在深度解析基因组结构变异、基因组演变规律及关键农艺性状基因克隆等基础研究领域取得了一系列前瞻性、引领性、原创性重大突破。

  在小麦领域,完成了小麦染色体级别的D基因组精细图谱的绘制;克隆出小麦太谷核不育基因Ms2和抗赤霉病基因Fhb1、Fhb7,大幅度提高了小麦育种效率。

  2019年6月10日,《自然遗传学》在线发表了南京农业大学教授马正强团队的研究论文。论文报道了小麦中一个极为重要的抗赤霉病基因Fhb1,为进一步揭示小麦抗赤霉病的分子机制奠定了重要基础。

  克隆小麦抗赤霉病基因Fhb1,为培育抗赤霉病小麦提供了有重要价值的基因和分子标记。我国科学家已经选育出抗赤霉病小麦品系37个,这些品系被无偿分发到全国58家育种单位,其中选育的6个品系进入预试或区试,1个品系进入推广应用阶段,具有巨大的推广应用潜力。

  2020年4月,《科学》杂志在线发表山东农业大学农学院教授、山东省现代农业产业技术体系小麦创新团队首席专家孔令让团队科研成果,他们从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病主效基因Fhb7,揭示了其抗病分子机制;携带该基因的种质材料被多家单位用于小麦育种,表现出稳定的赤霉病抗性。

  该研究成果共有5大创新:克隆了Fhb7抗赤霉病基因;发现Fhb7基因编码的酶对呕吐毒素具有解毒功能;提供了真核生物间核基因组DNA水平转移的功能性证据;组装了长穗偃麦草基因组;发现Fhb7基因对整个镰刀菌属病原菌具有广谱抗性。

  “通过系列分子实验和高分辨质谱分析,我们发现Fhb7编码的蛋白可以打开呕吐毒素的环氧基团,并催化其形成谷胱甘肽加合物,从而产生解毒效应,明确并验证了其在小麦抗病育种中的稳定抗性和应用价值。”孔令让告诉记者,患赤霉病的小麦会产生呕吐毒素,而呕吐毒素会严重污染食品和饲料,被世界卫生组织确定为天然存在的极为危险的食品污染物,可引起人畜中毒。同时,呕吐毒素可在人和哺乳动物体内积累,诱发免疫功能下降等慢性毒副作用。

  基因组编辑技术是创制突破性种质资源、加速育种进程的有效手段。目前,利用CRISPR/Cas9系统介导的基因编辑技术已广泛应用于农作物功能基因组学研究和作物遗传育种改良,但由于小麦为异源六倍体、基因组比较庞大且背景复杂,遗传转化效率相对较低,目前仍然缺乏高效的小麦多基因编辑体系。

  针对这些问题,山东省农业科学院作物研究所小麦分子育种团队,通过载体元件的优化改造,研发了高效的小麦多基因多靶点编辑技术体系。该团队2020年11月发表在《植物生物技术杂志》上的论文表明,他们对小麦基因编辑载体元件进行了系统优化,构建了3个小麦多基因编辑载体的核酶系统,能靶向A、B和D基因组上的8个位点。新技术体系使小麦的单基因三靶点同时编辑效率达到100%、双基因六靶点同时编辑效率达到96%、三基因八靶点同时编辑效率达到37%。该研究结果标志着我国的小麦基因编辑效率达到国际领先水平。

  就在最近,我国科学家在小麦多基因编辑技术育种研究中再次取得突破。据中国农业科学院4月9日消息,该院作物科学研究所科学家在线发表于《分子植物》的研究论文称,他们利用多基因编辑技术,实现了冬小麦一代多个优异等位基因聚合,并成功获得了无需引入外源基因的小麦新种质。

  团队成员夏兰琴研究员介绍,他们利用CRISPR/Cas9系统开发出一种高效、通用的多基因编辑技术。团队以黄淮麦区大面积种植的小麦品种“郑麦7698”为受体材料,用新技术对15个基因组位点进行了同时编辑,分别获得了2、3、4、5个基因编辑植株,最高编辑效率可达50%。无需引入外源基因,团队成功获得聚合多个优异等位基因的小麦新种质。

  这一高效、通用的多基因编辑体系的建立,将有助于促进小麦分子生物学研究和复杂性状形成的解析,定向创制小麦新种质,加速育种进程,为小麦和其他多倍体农作物开展多基因聚合育种提供了重要的技术支撑。

  杂交小麦被认为是今后全球小麦产量大幅提升的首选途径之一。据预测,如果杂交小麦推广应用达到杂交水稻同等水平,我国每年可新增小麦产量约1200万吨(按照中国小麦年总产量1.2亿吨,10%增产来估算),将对保障国家粮食安全具有重大意义。

  但是,同为世界三大粮食作物之一的小麦,受基因组复杂性所限,曾在杂交育种上停滞不前。制种成本过高也大大制约着杂交小麦产业化推广。

  “杂交小麦是世界上唯一尚未开发的主要粮食作物杂交种业,产业潜力巨大,预计每年可创造市场价值 300亿元500亿元,国内市场每年可达30亿元50亿元,每年可减少灌水约10亿立方米,减少经济投入约10亿元。”北京市农林科学院研究员、北京杂交小麦工程技术研究中心主任、首席专家赵昌平告诉记者。

  “十三五”期间,北京杂交小麦基础研究取得重要进展:北京市农林科学院科学家在国际上首次克隆出第一个小麦温敏雄性不育主效基因TaTMS1,为中国杂交小麦体系构建提供了理论依据;审定杂交小麦品种6个,实现了核心主产麦区审定品种“零”突破和国外审定品种“零”突破。

  “普通小麦属于严格的雌雄异花、自花授粉作物,寻找雄性不育遗传资源是实现小麦杂种优势利用的重要途径。基于小麦光温敏雄性不育现象的发现,我国的小麦科学家从我国独有的BS系列小麦光温敏雄性不育种质中,首次发现并克隆了第一个小麦温敏雄性不育主效基因TaTMS1,发现其启动子有1个关键碱基变异,引起TaSL1对TaTMS1启动子结合增强,能在低温下降低TaTMS1表达;破坏TaTMS1与花药叶绿体内层TaATP1氧化区域互作,可导致能量供给出现紊乱和活性氧物质大量产生,最终致使雄性不育。”北京市农林科学院杂交小麦中心副研究员张胜全说,小麦雄性不育基因的克隆为构建稳定、高效、规模化的杂交小麦制种技术奠定了基础,也为我国杂交小麦体系构建和成功利用不育系实现小麦杂种优势大面积应用提供了支撑。