農(nóng)作物基因設計育種發(fā)展現(xiàn)狀與展望

李新海, 谷曉峰, 馬有志, 邱麗娟, 黎裕, 萬建民*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所, 北京 100081; 2.中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術研究所, 北京 100081)

當前，隨著生物組學、合成生物學、計算生物學、生物大數(shù)據(jù)等前沿基礎學科的快速發(fā)展，驅(qū)動生物技術與信息技術、先進制造技術和智能技術深度交叉融合，催生精準智能設計育種，推動傳統(tǒng)育種向精準、高效、智能方向發(fā)展，使根據(jù)生產(chǎn)需求設計與創(chuàng)制新品種成為可能。本文系統(tǒng)分析了國際農(nóng)作物基因設計育種發(fā)展態(tài)勢，綜述了我國科學家在作物設計育種等若干領域取得的重要研究成果，明確了我國農(nóng)作物基因設計育種發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)，并對新時期我國農(nóng)作物基因設計育種發(fā)展路徑提出了展望。

1 國際農(nóng)作物基因設計育種發(fā)展現(xiàn)狀與態(tài)勢

1.1 作物基因設計育種產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷增長

自1996年轉(zhuǎn)基因作物大規(guī)模商業(yè)化以來，基因設計育種產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。1996—2018年，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積增長約113倍，26個國家種植轉(zhuǎn)基因作物，歐盟、日本等44個國家和地區(qū)進口轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品，覆蓋全球60%的人口[1]。目前，作物基因設計育種目標性狀從單一的抗蟲、耐除草劑向抗旱、養(yǎng)分高效利用、營養(yǎng)品質(zhì)改良等多基因疊加復合性狀方向快速拓展。相繼研發(fā)出新型抗蟲耐除草劑玉米、富含β-胡蘿卜素的黃金大米、具有降血壓和降血糖功效的水稻、高ω-3大米和大豆、富鐵和富鋅大米、低還原糖含量馬鈴薯等新產(chǎn)品。2018年作物基因設計育種種業(yè)市值達到219億美元，占全球商業(yè)種子市場的30%，預計到2025年全球基因設計作物種子市值將增長10.5%[2]。

1.2 作物基因設計育種技術加速變革創(chuàng)新

新型轉(zhuǎn)基因、全基因組選擇、基因編輯和合成生物學等前沿生物技術交叉融合，形成了有效支撐作物精準改良的基因設計育種系統(tǒng)[3-5]。全基因組選擇技術顛覆了以往表型選擇和后裔測定的育種理念和技術路線，能夠在得到個體基因型時即對其育種值進行評估，大幅度提高育種效率。通過基因定向編輯技術，實現(xiàn)產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)、株型、育性等育種性狀的精準改良。通過人工設計與優(yōu)化基因模塊和線路，可以實現(xiàn)基因表達和整合位點的精準控制以及重要性狀與環(huán)境響應的智能調(diào)控，高效合成新基因資源。

1.3 作物基因設計育種成為種業(yè)競爭熱點

基因設計育種技術已成為提升國家種業(yè)競爭力的戰(zhàn)略利器，世界各國紛紛制定發(fā)展戰(zhàn)略，搶占生物設計育種制高點。美國發(fā)布《2030年農(nóng)業(yè)研究科學突破預測》，提出基因組學與精準育種戰(zhàn)略路徑；阿根廷、巴西和墨西哥等拉丁美洲國家積極擴大基因設計技術在農(nóng)業(yè)中的應用。美國等發(fā)達國家和地區(qū)加快推進生物種業(yè)基礎研究和育種技術創(chuàng)新，爭奪知識產(chǎn)權。截至2016年，美國獲得生物技術領域?qū)＠_12 036項，遠超過其他國家。大型跨國生物技術公司所持有基因?qū)＠窟M行全球?qū)＠季帧＝刂?018年，科迪華公司(陶氏+杜邦)的專利持有量為5 414件，排名第一；拜耳公司(拜耳+孟山都)的專利持有量為5 257件，位居第二；中國化工先正達公司專利持有量為1 004件，位居第三位，以基因設計育種為核心的技術研發(fā)成為生物種業(yè)國際競爭的熱點。

1.4 作物基因設計育種重大平臺驅(qū)動明顯

隨著以基因編輯、合成生物等為核心的前沿生物技術的興起，美國等發(fā)達國家和跨國種業(yè)公司不斷加強高通量、大型化、規(guī)?；?、自動化的科技基礎設施建設，加快農(nóng)業(yè)生物技術創(chuàng)新。歐美等發(fā)達國家和地區(qū)相繼建立了高通量作物表型平臺等重大科技基礎設施，加快了作物基因設計育種步伐。麻省理工學院、國際水稻研究所等研究機構建立了作物基因編輯、全基因組選擇、合成生物等分子設計育種相關平臺，專注理論基礎和應用基礎研究?？鐕景荻仙蕉肌⒖频先A等種業(yè)集團建立了工程化育種設計平臺，將前沿基礎和技術融合應用育種，創(chuàng)制出耐旱玉米等突破性新品種。

2 我國農(nóng)作物基因設計育種技術發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)

2.1 作物基礎研究驅(qū)動基因設計育種

基礎理論突破是基因設計育種的基石。2002年，我國水稻(秈稻)基因組框架圖完成，標志著我國水稻基因組學研究邁入世界前列[6]。據(jù)統(tǒng)計，2008—2018年我國發(fā)表高水平論文27 479篇，占全球29%，其中水稻相關論文占全球38%。近年來，我國主導完成水稻、小麥、棉花等多種農(nóng)作物品種和種質(zhì)資源的高質(zhì)量全基因組序列組裝和功能分析；克隆了一批控制產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性等具有重大育種價值的新基因，系統(tǒng)解析了水稻亞種間遺傳隔離、小麥赤霉病、玉米株型、大豆光周期反應等重要基因分子調(diào)控網(wǎng)絡。多種重要性狀的協(xié)同調(diào)控機制解析取得突破，如水稻廣譜抗稻瘟病與產(chǎn)量平衡機制解析，深化了植物免疫與抗病性機制認識[7-8]；赤霉素調(diào)控作物氮肥高效利用機制解析，拓展了對植物生長與代謝協(xié)同調(diào)控基礎理論[9]。育種基礎科學創(chuàng)新能力的提升從源頭上支撐了我國現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展。

2.2 作物基因設計育種技術體系初步建立

據(jù)統(tǒng)計，2008—2018年我國主要農(nóng)作物產(chǎn)出專利合計10 047件，占全球37%，正逐步建立系統(tǒng)的農(nóng)作物基因設計育種技術體系。轉(zhuǎn)基因技術是現(xiàn)今世界上應用最為廣泛的基因工程技術，我國在多物種遺傳轉(zhuǎn)化等領域自主研發(fā)能力顯著提升，生物安全評價、檢測監(jiān)測和管理體系不斷完善，實現(xiàn)了由跟蹤到自主創(chuàng)新的整體跨越，創(chuàng)制出具有重要應用前景的抗蟲、耐除草劑、耐旱節(jié)水和營養(yǎng)功能型轉(zhuǎn)基因玉米、大豆和水稻，達到或超過國外同類產(chǎn)品?；蚓庉嫾夹g在作物設計育種中應用不斷拓展，相繼在水稻、小麥、玉米等作物上建立了基因敲除、基因替換或插入、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、單堿基定向突變等基因組定點編輯技術體系，獲得了耐除草劑、抗病、品質(zhì)改良等新型材料[10]。全基因組選擇技術已在聚合多元優(yōu)良基因方面發(fā)揮作用，初步建立了水稻、小麥、玉米等作物全基因組選擇技術體系[11]。在農(nóng)業(yè)合成生物方面，發(fā)掘和合成一批抗鹽堿、耐干旱、抗酸、固氮泌銨、氮高效利用等元件[12]。此外，通過在全基因組層面上建立人工智能預測模型，創(chuàng)建智能組合優(yōu)良等位基因的自然變異、人工變異、數(shù)量性狀位點的育種設計方案，最終實現(xiàn)智能、高效、定向培育新品種，極大地提高育種效率。

2.3 我國作物基因設計育種原創(chuàng)能力有待進一步提升

我國作物基因設計育種原始創(chuàng)新能力與美國等發(fā)達國家還存在較大差距。一方面，對于重要農(nóng)藝性狀的復雜性、基因與基因間協(xié)同性、基因與環(huán)境間的互作模式研究不足，具有重要育種價值的關鍵基因缺乏。另一方面，我國在作物育種領域的核心關鍵技術需要加快發(fā)展。以作物育種技術專利為例，在1998—2018的20年間，我國總體專利數(shù)占全球?qū)＠麛?shù)的比例約為22%，但是核心技術專利占比不足3%。只有加快具有自主知識產(chǎn)權的關鍵基因克隆和原創(chuàng)技術創(chuàng)新，才能構筑農(nóng)作物基因設計育種的基礎理論和技術體系。此外，我國作物種業(yè)創(chuàng)新鏈條仍不完善，缺乏國家級作物基因設計育種重大基礎設施，以統(tǒng)籌集聚育種性狀遺傳解析、育種元件設計、表型及代謝通路合成、新材料數(shù)字化測試和生物育種智能決策，引領并推動作物基因設計育種研發(fā)和種業(yè)快速發(fā)展。

3 農(nóng)作物基因設計育種展望

面向作物種業(yè)發(fā)展需求，系統(tǒng)布局基因設計育種研究，推動品種改良向更加精準化、定向化、智能化方向轉(zhuǎn)變[13-14]。

3.1 突出作物基因設計育種源頭創(chuàng)新

瞄準國際作物種業(yè)科技基礎理論前沿，強化源頭創(chuàng)新，闡析重大基礎科學問題，提升原創(chuàng)能力。一是在作物優(yōu)異基因資源多樣性與演化機制方面，重點揭示物種多樣性產(chǎn)生和演化機制，全面解析物種資源形成的基因組學基礎，為基因資源挖掘和創(chuàng)新提供理論指導；二是在作物重要育種性狀形成的分子基礎方面，深入解析產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性、營養(yǎng)高效等重要性狀的遺傳和表觀遺傳變異規(guī)律，構建分子調(diào)控網(wǎng)絡，為多性狀設計改良提供理論基礎；三是在作物優(yōu)異基因資源設計與合成機制方面，強化發(fā)掘優(yōu)質(zhì)、抗病、抗逆、養(yǎng)分高效等關鍵基因和生物元件，重構重要性狀的信號調(diào)控網(wǎng)絡或代謝合成通路，合成具有重要應用價值的關鍵功能元件，為作物種質(zhì)定向創(chuàng)制提供原創(chuàng)理論。

3.2 突破作物基因設計育種關鍵核心技術

面對全球新一輪種業(yè)科技革命的機遇和挑戰(zhàn)，在顛覆性前沿技術領域?qū)崿F(xiàn)重大突破。從以組學為基礎的分子標記、轉(zhuǎn)基因和分子設計育種技術[15]拓展到全基因組選擇、基因編輯、合成生物學等核心技術，并與大數(shù)據(jù)和人工智能交叉融合，著力構建作物基因設計育種技術體系，搶占制高點。深入研究新一代作物基因高效發(fā)掘技術，加快優(yōu)異基因發(fā)掘[16]。開發(fā)和優(yōu)化重要物種的全基因組選擇技術，提高基因聚合效率。突破主要作物優(yōu)良品種的高效遺傳轉(zhuǎn)化瓶頸，研發(fā)不依賴受體基因型限制的高效遺傳轉(zhuǎn)化新技術。創(chuàng)新高效的單堿基定點突變、大片段定點插入、同源重組等精準定向編輯技術，創(chuàng)新與集成人工智能設計和決策數(shù)據(jù)庫，完善工程學的模塊化概念和系統(tǒng)設計理論，構建基于模塊組裝和通路設計的合成生物技術體系，為作物基因設計育種提供支撐。

3.3 強化作物基因設計重大新品種研制

我國農(nóng)業(yè)發(fā)展已由主要滿足數(shù)量的需求向更加注重質(zhì)量和營養(yǎng)健康、追求綠色生態(tài)可持續(xù)轉(zhuǎn)變，農(nóng)作物品種研發(fā)呈現(xiàn)以產(chǎn)量為核心向優(yōu)質(zhì)專用、綠色環(huán)保、抗病蟲、抗逆、資源高效利用、適宜輕簡化機械化的多元化方向發(fā)展。發(fā)掘作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲、抗逆、營養(yǎng)高效、高光效等關鍵基因，集成建立從“基因資源”到“田間育種”的作物基因設計育種技術體系，建立全流程的新種質(zhì)創(chuàng)新及新技術應用模式，注重原創(chuàng)性基因資源和新型親本創(chuàng)制，加快設計與培育優(yōu)質(zhì)多抗、氮磷高效、環(huán)境友好等戰(zhàn)略性新品種，為品種更新?lián)Q代提供支撐。

3.4 提升作物基因設計育種支撐能力

培養(yǎng)一批高水平的作物基因設計育種創(chuàng)新團隊和青年科學家，打造一批具有國際競爭力的基因設計育種領軍企業(yè)。聚焦作物重要育種性狀的遺傳網(wǎng)絡闡析，以合成生物、基因編輯、全基因組選擇等前沿技術驅(qū)動，深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)等新興學科，建設國家作物基因設計育種技術創(chuàng)新中心，以及“性狀解析—元件設計—通路合成—材料測試—智能決策”一體化的作物基因設計育種重大科技基礎設施，系統(tǒng)提升我國作物基因設計育種的國際競爭力。