每一粒大豆拥有6万个基因,把这些基因重新进行排列组合,便能得到产量高、品质好的优质大豆。有了优质大豆,提高的不仅是农民的收入和幸福指数,而且影响着国家农业发展产业链的前景和未来规划。
粮食对于一个国家和地区的重要性不言而喻。世界各国为了各自的粮食产业都在不停地奋斗着。在长春,有一位专门和大豆打交道的专家学者冯献忠,他带领团队克难攻坚,开展大豆创新性应用基础研究,培育高产、优质、抗逆、广适性的大豆新品种,创制具有育种潜质的新种质,为东北地区未来的农业产业打开全新的一扇窗。
不懈的科研谱写新的篇章
冯献忠回国之前,在英国詹姆斯·因内斯科学研究中心(John Innes Centre)从事早期植物系统生物学的研究工作,首次证明了TCP基因家族的CYC2基因在玄参科以外的植物中广泛参与花背腹对称性的决定,首次证实了TCP基因被独立招募到控制两侧对称花对称性的形成;揭示了豆科花形控制的分子机理,证明了控制花对称性和花瓣对称性的遗传机制在豆科中产生了分离,相关研究结果在《PNAS》上发表。该研究为分子设计改造大豆花型,解决大豆杂种优势利用中存在异化传粉困难的生产问题提供了重要的靶标基因。该成果荣获吉林省自然科学一等奖。
在英国做科学研究时冯献忠就想将自身所学用到祖国的建设中,以回馈祖国的养育之恩。2007年,他放弃了国外的高薪和优厚待遇,选择回国为祖国的农业发展效力;同年,冯献忠受聘“泰山学者”特聘教授,在山东师范大学建立了山东省高校系统生物学重点实验室,在国内较早开展了利用计算机建模研究植物生长发育基本规律和利用系统生物学手段进行大豆分子设计育种。
针对“大豆”卡脖子问题精准发力
随着工作的深入开展,他逐渐认识到大豆分子设计育种研究工作应该成为自己今后主攻方向。受中科院东北地理与农业生态研究所大豆分子育种实验室刘宝辉研究员的邀请,2012年他来到中国大豆的主产区——东北,并加入了中国科学院东北地理与农业生态研究所大豆分子育种实验室,在团队的共同努力下,大豆分子设计育种实验室在2013年进入到中科院重点实验室行列,成为我国大豆生物学基础研究和应用基础研究的重要基地。
长期以来,大豆育种大多采用常规育种方式,就是育种家凭借经验,做大量的杂交组合,把多个优良性状的基因聚合到一起。“这么做不仅难度大,而且还有可能引入不好的性状,比较耗费时间。”在他看来,分子设计育种可成为未来育种的一个发展方向。
2010年,人类完成了大豆的全基因组测序。冯献忠告诉记者,通常育种会分为传统育种、分子标记育种和分子设计育种三个阶段,而国内大部分的研究停留在分子标记育种研究阶段,多数品种仍通过传统育种手段获得。他解释道:“分子标记育种只是对于控制农艺性状的少数基因进行标记选择,而分子设计育种是完全重新搭一个台子,按照人类的想法,对种子进行全方位的设计。冯献忠带领团队所做的就是要找出大豆基因之间最好的组合方式,通过将大豆基因的排列方式进行重新组合,从中找到最适合生长环境的最佳基因组配方式。
“育种,有时比照顾孩子还费功夫,特别是遴选品种的过程,必须要纯手工处理。正常育种的时候就是在杂交组合里找哪一个好,凭眼睛和经验来判断。而现在呢,在育种时候按照基因了解哪一个是高油,哪个是高蛋白。就和造汽车一样,跑车和货车要根据需要采取不同的设计。我们根据不同基因匹配来设计基因,从而达到增产目的。”介绍起大豆育种的原理,冯献忠眼中的光格外明亮。
在过去的10年间,冯献忠研究团队建立了容量为40万株的大豆诱变突变体库,建立了大豆不同器官大小和形态的计算机模拟体系,初步建立了大豆的基因—表型计算机模拟系统,成为我国大豆分子设计育种研究的前行者。在他的实验室里,不同品种的大豆标本陈列了整整一屋子。他说:“现在我们有十几个品种进入了不同的试验阶段,可以期待未来投产之后的实际效益。”目前,大豆分子设计育种实验室的十多个品种已经在东北得到了大面积推广。
不懈研究下亮点频出 成果建成
围绕国家食物安全和生态安全的重大战略需求,冯献忠率领团队开展大豆品种分子设计育种的创新性研究工作,为我国大豆育种体系更新换代提供理论支撑。2016年,他牵头申报的国家“十三五”重点研发项目——“主要经济作物分子设计育种”成功获的国家科技部的批准立项;项目以大豆、棉花、油菜、黄瓜、辣椒、白菜和番茄等蔬菜为研究对象,针对我国主要经济作物分子设计育种中的关键技术瓶颈和生产中的实际问题,通过开展技术研发和集成,实现了育种性状基因信息的规模化挖掘、遗传材料基因型的高通量鉴定、亲本选配和后代选择的科学化实施、育种目标性状的工程化鉴定,建立和完善了主要经济作物的分子设计育种体系,使我国主要经济作物新品种选育效率大幅度提高。项目主持单位联合华南农业大学、山东大学、东北师范大学、佳木斯农科院等单位定位大豆产量、品质、耐逆性性状相关的育种可用标记59个,创制出70份具有优良性状的新材料,培育大豆新品种15个,取得了12.43亿元经济效益。2018年,育成的矮秆耐密大豆新品种“合农91”在新疆实收亩产423.77kg,刷新了我国大豆单产的全国纪录。2019年,通过对生育期和耐密性定向改良的“合农71”实收亩产447.47kg,这一结果使我国大豆单产记录提高了23.7kg,标志着我国大豆育种水平达到了新的高度。项目建立的主要经济作物高效分子设计育种技术体系,突破了主要经济作物育种核心技术瓶颈,形成的核心技术及标准,将为今后选育主要经济作物新种质和新品种奠定技术基础,对提升我国作物育种技术的自主创新能力具有重要意义。
