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浙江日报:走近浙江大学农业设计育种团队——以小小种子服务“国之大者”
发布日期:2021-12-03 浏览次数: 字体:[ ]

种子是农业的“芯片”。一粒种子,关乎国力和民生。

浙江大学农业设计育种团队坚持服务国家重大战略,多年来不分寒暑,转战南北,放眼960万平方公里土地上的田野,只为找到最优种质、培育最优品种,为民族种业振兴装上更多“浙大芯”。

时近岁末,在这盘点一年收获的时节,我们走近这群追着太阳耕作的人,分享最新育种成果带来的喜悦,感悟农业科技工作者献身“国之大者”的初心。

走近浙江大学农业设计育种团队—以小小种子服务“国之大者”

开发一种

制造“芯片”的“芯片”

从杭州,到石河子、库尔勒和阿克苏——每年的棉花丰收季,浙大农业与生物技术学院张天真教授和团队成员都要飞越4000多公里,来到新疆的大片棉花田里。

“中国是世界最大的产棉国,也是最大的棉花消费国,有近3亿人参与其生产,全球一半以上的棉制品都是在中国生产的。高端原棉靠进口现状制约着我国棉花产业高质量可持续发展。”张天真说,如何培育产量高、品质好的棉花品种成为迫在眉睫的问题,也是团队的奋斗目标。

按常规的育种方法,在棉花田里选种,靠眼睛观察、凭经验评估,不停杂交、不停选择、不停在田间种植,要筛选出一个好的棉花品种大概需要10年以上的时间。

张天真团队研发出世界首个棉花精准育种设计平台,大大提高了棉花育种效率。他们通过全基因组扫描技术,系统研究了7万多个棉花基因,同时利用我国三大棉区的1000多份品种以及国外的重要育种骨干材料,鉴定出棉花产量、纤维品质等重要性状的关联基因位点。

在此基础上,团队开发出“浙大棉芯1号”“浙大棉芯2号”等检验芯片,可以快速、准确、高效地鉴定出优异亲本材料和基因资源,加快聚合育种的步伐。

“种业是农业的芯片,育种平台就好比是制造芯片的芯片。有了这样一个高精尖装备,估计三四年就能出一个新品种。”张天真说,目前棉花精准育种设计平台已投入应用,预计不久就能诞生新的棉花品种。

除了搭建平台、创造工具,张天真还有不少解决了生产中具体问题的育种成果。

棉花生产有一类重要的副产品,就是棉籽。全国近5000万亩棉花地每年能生产棉籽近千万吨,可加工成棉籽油、棉籽蛋白等,蕴藏着大产业。棉籽上散布的腺体里包裹着棉酚,虽然可以帮助棉花防御病虫危害,但对人类却有毒害作用,影响了棉籽的高效利用。

张天真利用现代育种技术培育出一种新的棉花品系,巧妙地保留棉花植株上的腺体、去掉棉籽上的腺体,从而解决了这个两难问题。这项成果目前正在为市场化应用做进一步研究,一旦投入市场,将为新型低酚品种的开发利用、粮-棉-油-饲一体化经济作物的精准培育打下基础。

水稻育种

和时间赛跑

这是一支与时间赛跑的水稻育种团队。

即便采用冬季南繁技术,水稻稳定新品系的育成也需要5年以上的时间。这之后,还需要3年至5年来完成区域性试验、生产性试验和品种审定等。接着还要再经过2年左右的生产适应性研究,才能真正实现应用。这笔时间账,浙大农业与生物技术学院舒庆尧教授在心中不知算过多少回。

“事关国家粮食安全,必须只争朝夕,迎难而上!”舒庆尧团队创造性地提出了“材料集中创制、品种多地同时选育”的高效水稻品种培育新路径。

近年来,水稻功能基因组学研究迅猛发展,为水稻育种的范式转换奠定了理论基础。浙大水稻育种团队充分利用这一机遇,以水稻基础研究的最新发现、最新知识为指引,对水稻品种创制的配组方式、实现途径进行理论设计,进一步开发实现理论设计所需的技术和平台。

在将设计“蓝图”转化为品种的过程中,团队又灵活应用基因编辑技术、分子标记辅助选择技术、基因组分析技术和花药培养技术等先进育种手段,大幅提高了育种效率、缩短了育种年限。“比如,利用花培技术可以将稳定新品系的创制时间从五年缩短到一年。”舒庆尧说。

走出实验室,浙大团队与地方农科院、种业产业共同构建“浙大水稻科企联合体”,为高效培育水稻品种和产业化提供了保障。无锡-浙大生物育种中心,已连续4年实现年产花培苗3万株以上,成为国内外水稻单倍体育种规模最大的基地。培育出的加倍单倍体系性状稳定,携带所需的抗病基因,可以同时在不同稻区同步开展新品种选育。

为了玉米抗虫

天南海北挖土

金灿灿、软糯糯的玉米,是我们饭桌上常见的粮食。一直以来,玉米种植面临着病虫害的威胁和杂草的影响,产量陷入瓶颈。有没有一种技术能解决这些问题呢?

转基因抗虫耐草剂玉米“瑞丰125”由此诞生,经过浙大农业与生物技术学院沈志成教授团队多年的研发、安全评价、测试和鉴定,该品种在2020年得到国家认可,获颁农业转基因生物安全证书。

通过优势功能基因的转入,改变玉米本身,是高产的一条重要技术路径。“转入的优势基因要从环境中寻找,比如杀虫的基因就主要向土壤微生物要资源”,为此,团队天南海北去挖土,寻找丰富的微生物资源。

功夫不负有心人,沈志成团队先是在微生物中找到抗虫基因,后又从古老的抗辐射细菌中找到了耐草甘膦(一种高效除草剂)的基因。第一代转基因玉米在浙江大学实验室产生了。

沈志成介绍,团队独立发掘的“瑞丰125”转基因玉米携带Bt杀虫基因,能够表达一种高效的杀虫蛋白,杀死玉米螟、棉铃虫等鳞翅目昆虫。其中,玉米螟防治效果达96%。与此同时,玉米粒霉变的比例也同步下降。

多年实验表明,“瑞丰125”较非转基因玉米增产6%至10%。“这个数字看上去不高,但平均亩产增加了100斤以上。当前我国种植约有6亿亩玉米,可以增产超过600亿斤”。沈志成认为,一旦通过品种审定,抗虫耐草剂转基因玉米能够降低损失、提高产量,对于保障我国粮食安全具有重要意义。

君看大麦熟

颗颗是黄金

五千多年来,大麦在华夏大地上播种、生长、丰收,陪伴着中华文明从刀耕火种走向现代化。但长期以来,学界一直将中东“肥沃月湾”地区认为是大麦的起源和进化中心。

浙江大学农业与生物技术学院张国平教授团队与全球大麦科学家合作完成了大麦基因组计划,并对我国科学家在上世纪60年代在青藏高原考察征集到的近200份青藏高原野生大麦进行种质资源精准解析。

团队通过在全基因组范围内比较大麦DNA指纹谱图,发现藏族先民在青藏高原地区独立驯化了大麦,从分子水平上证明了青藏高原野生大麦的独立起源,是现代栽培大麦的主要祖先之一;他们还利用转录组测序技术分析了青藏高原野生大麦、中东野生大麦与现代栽培大麦基因组的差异,表明现代栽培大麦的基因组至少有一半来自青藏高原野生大麦。

张国平团队被同事称为“麦田的守望者”,多年来一直围绕着大麦的非生物胁迫等方向开展工作。

全球变暖正在严重影响包括大麦在内的农作物生产。干旱发生时,不仅会降低大麦粒重与产量,严重时甚至导致大麦幼苗凋萎枯死而绝收。

他们收集了来自以色列进化谷温暖潮湿的“欧洲坡”和高温干旱的“非洲坡”中的22份野生大麦材料,发现“非洲坡”野生大麦在干旱胁迫下具有更高的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率,在干旱处理下水分利用率显著高于“欧洲坡”野生大麦。团队在以上两类野生大麦群体中共鉴定出161个可能参与了大麦干旱适应调控的潜在基因,这些基因可被用于耐旱品种培育。这为耐旱品种培育提供了理论指导和基因资源。

团队还利用全球收集的100份大麦核心种质进行土培苗期耐旱试验,鉴定耐旱种质与相关基因,从大麦种质材料中筛选出抗旱的基因型。在长期的研究中,团队先后发现了作物非生物胁迫耐性的生理和分子机制,完成了高产、优质、耐逆基因发掘与新种质创制,阐明了气孔进化、逆行信号通路和钾离子等耐旱新机制,鉴定了多个参与逆境耐性的转录因子和调控基因的分子功能。

“歉岁地惜宝,惠民天用心。君看大麦熟,颗颗是黄金。”古人感慨,在旱情下大地很珍惜种下的每颗种子,老天也用心为人民创造了丰收的年景。没有从天而降的瑞年,唯有一群像张国平团队这样关注作物的科研人正在为丰收默默倾力守护,以期不负太阳的炽烈情怀,为国家农业生产创造更大的作为。

寻找调控

“番茄风味”的密码

你是否体味过这样的“番茄味儿”——红润饱满的番茄,“咔嚓”一口咬下去,肥厚沙软的口感滑动在唇齿间,酸酸甜甜的汁水润过喉咙……

众所周知,番茄果实成熟后就会迅速软化,其软化速度直接影响贮藏物流和货架寿命。植物激素乙烯可以调节植物的生长、发育和衰老,现代农业通常降低其合成效率,进而延缓果实成熟,但带来的结果是果实风味和营养的丢失。

浙江大学果实品质生物学团队陈昆松教授与美国康奈尔大学合作,通过大数据分析,挖掘了一个调控果实成熟软化的全新路径——新型转录因子SlLOB1。它能不依赖乙烯,转录调控与果实软化相关的一系列细胞壁降解酶、细胞壁修饰酶和细胞壁结构蛋白编码基因。

研究表明,如果让SlLOB1不“出声”,即沉默该基因,可延缓果实软化进程,红果期的硬度为对照果实的2倍多,同时不影响果实正常成熟和软化,番茄红素增加了60%;如果这项基因过度表达,可激活下游细胞壁基因表达,促进果实提早软化。

当然,酸酸甜甜并不是“番茄味儿”的全部。当你咬上一口晶莹剔透的番茄细品时,多种挥发性成分飘入鼻腔,激活了嗅觉,这些感受与味觉等加在一起,构成了完整的“番茄味儿”。

团队成员张波教授发现基因SlLIP8可以调控番茄果实脂肪酸代谢途径芳香物质合成,如果敲除该基因,短链芳香物质的含量显著减少。此外,团队还发现转录因子RIN具有调控果实芳香物质生物合成的功能。这些研究都为今后番茄果实的风味改良工作提供了新思路。

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