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科學視點

馮獻忠:實現大豆“定制化”生產

馮獻忠介紹實驗室里陳列的不同品種的大豆標本。辛雨攝

  “這是最新審定通過的高油、高產大豆新品種,個個株高、粒大?!敝袊茖W院東北地理與農業生態研究所研究員馮獻忠向《中國科學報》介紹了實驗室里陳列的不同品種的大豆標本。

  日前,馮獻忠團隊通過分子設計育種技術選育的大豆新品種“東生118”“東生119”“東生120”,以及與吉林省吉林市農業科學院合作選育的大豆新品種“九農403”,通過了吉林省農作物品種審定委員會審定。這幾個新品種是團隊通過全基因選擇設計育種方案,定向改良提高大豆產量和含油量等重要農藝性狀培育而成的。

  近年來,馮獻忠團隊在環境友好型大豆分子設計育種,以及大豆高產、優質、養分高效利用、抗病等控制大豆重要農藝性狀基因的發掘等方面取得了一系列成果,尤其為改善東北黑土地作物種植結構和減肥減藥提供了優良的大豆新品種。

  分子設計育種潛力大

  來自中國海關的統計數據顯示,2020年我國累計進口大豆首次超過1億噸,較2019年進口增加1182萬噸。大豆產需缺口巨大,高度依賴進口,作為全球最大的大豆進口國,我國大豆穩定供應面臨嚴峻考驗。

  立足國內生產,提高國產大豆產量,逐步降低對進口大豆的過度依賴,有助于緩解國內糧食結構性短缺問題,更好地保障國家糧食安全。在種植面積難以大規模提高的情況下,提高大豆產量的另一途徑,在于依靠科技力量增加畝產量。

  這就需要依靠科研人員持續攻關,選育出更多高產、穩產的優質品種,在有限的土地上持續提高大豆產量,保障國內食用豆制品供給?!安捎脟H上先進的品種分子設計手段,是目前實現國產大豆育種突破的最佳途徑?!瘪T獻忠說。

  2007年起,馮獻忠帶領團隊率先在國內建立了大豆突變體數據庫,開始從事大豆分子設計育種工作,試圖實現大豆的“定制化”生產。

  “從國內外優良品種的培育現狀與發展歷史來看,分子設計育種代表著未來的方向,在大豆中明確的功能基因越多,對于開展分子設計育種越有利?!瘪T獻忠告訴《中國科學報》。

  相較于傳統育種,分子設計育種有其特有優勢。馮獻忠解釋道:“傳統育種主要靠經驗。在如今的基因組時代下,我們探索的大豆分子設計育種可以通過定向選育,加快育種速度,這個方向的提升空間很大?!?/p>

  在馮獻忠看來,分子設計育種的核心是在全基因組的基礎上,對種子性狀進行基因重塑?!胺肿釉O計育種就好比是蓋房子,我們不僅要對大豆每塊‘磚’的樣子了如指掌,還要對每間‘房’的功能進行提前設計和規劃?!?/p>

  全基因組支持擇優選種

  馮獻忠團隊從大豆6萬個基因中找到了負責生育的基因,并進行了基因控制和改良,從而培育出了改變成熟生育期的全新大豆品種。

  “我們通過分子設計手段,采用不同優良等位基因來控制大豆的性狀,比如讓豆莢里面結兩?;蛘呷?,讓晚熟的品種早熟?!瘪T獻忠表示,改良后的大豆莖稈更強、抗倒伏性好,在種植密度加大的情況下果實飽滿、蛋白質含量高,從而保證了高產量。

  此外,研究團隊還開發了大豆株型智能自動獲取技術、大豆葉型定量分析技術、大豆莢粒數性狀定量分析技術和種子形態分析和自動獲取技術,實現了大豆重要農藝性狀的定量分析比較。

  馮獻忠介紹:“我們建立了5124份大豆表型組數據、2537份大豆重測序數據、1738份大豆轉錄組數據形成的多組學整合數據庫,掌握了控制大豆重要農藝性狀基因的7025個遺傳位點。這些多組學數據為分子育種提供了理論基礎?!?/p>

  針對大豆育種遺傳基礎狹窄及優異種質資源貧乏的問題,馮獻忠團隊以核心大豆骨干親本為材料,采用物理和化學誘變的方法,創制了容量為40萬株系的大豆突變群體,建立了大豆飽和基因突變庫和優良變異材料庫。

  馮獻忠告訴記者:“我們已檢測到800多萬個大豆基因組新變異,98%以上的大豆基因平均有3個以上的錯義等位突變,并在此基礎上建立了5套高效分子標記鑒定方法、3套快速基因定位和克隆方法,以及237個開發育種可用分子標記?!?/p>

  在此基礎上,研究團隊克隆和鑒定了56個調控大豆高產、優質、抗逆和生育期的重要基因,選育了778份優異育種材料,為大豆新品種培育挑選出了優異材料和靶標基因。

  刷新大豆單產紀錄

  2018年,馮獻忠領導的國家重點研發團隊培育的大豆新品種“合農91”創造了畝產423.77公斤的全國大豆單產紀錄;2019年,“合農71”大豆新品種畝產447.47公斤,再次刷新紀錄。

  “與玉米畝產1000公斤相比,我國大豆的平均畝產僅有130公斤左右?!瘪T獻忠介紹,大幅刷新大豆單產紀錄的主要原因之一是改良了大豆高產基因和株型結構。2020年,馮獻忠團隊培育的“東生104”“東生105”“東生112”通過審定,2021年“東生118”“東生119”和 “東生120”通過審定?!皷|生”系列分子設計育種大豆新品種的成功培育,對提高我國東北大豆產量以及實現東北大豆品種更新換代具有里程碑式意義。

  馮獻忠團隊將分子設計育種選育出的一批高蛋白、高產、高油大豆新品種推向了市場。去年,他們在新疆大豆適宜區結合水肥一體化技術試種的“東生104”品種,畝產超過400公斤。

  “隨著大豆產量的大幅提高,國產大豆的種植效益也將提升,有利于促進大豆的大面積種植?!瘪T獻忠認為,從生態角度來說,種植玉米等農作物代價較大,而大豆本身是固氮作物,種植大豆可實現土地可持續綠色發展。

  他表示,大豆種植面積的擴大不僅能增加吉林省的大豆產量,優化種植結構,還可推進大豆與玉米輪作,對緩解生態資源壓力、保護寶貴的黑土地資源、促進耕地休養生息、提高糧食生產能力具有十分重要的作用。

  “分子設計育種技術是我們的優勢,讓我們有信心、有決心為國家重大戰略服務?!蹦壳?,馮獻忠團隊正與巴西、俄羅斯及非洲等國家相關機構合作,組織實施“全球大豆改良計劃”,為保障世界大豆安全供給提供“中國方案”。


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