粮食是人类生存之本, 也是社会发展和国家稳定的基石. 未来世界粮食安全依然面临挑战. 分子设计育种是解决未来粮食供应安全的重要途径, 但是目前分子设计育种在理论、技术以及规范化方面还存在诸多瓶颈. 本文针对未来农业和粮食生产的需求, 归纳了我国和全球面临的粮食安全问题、育种技术的发展历程和我国分子设计育种取得的成绩, 提出了未来分子设计育种的发展趋势, 探讨了我国分子设计育种面临的瓶颈和对策. 同时, 围绕分子设计育种科技创新中亟需解决的问题, 提出了面向2035年的战略布局, 以期为我国未来农业的发展提供重要借鉴与参考.
粮食供应安全不仅是中国, 也是世界所有国家极为关注的重大战略问题. 种业是保障粮食安全的基础, 也是制约未来农业发展乃至社会发展的关键要素. 随着社会的发展和农村经济体制改革的深化, 我国农业生产正经历着生产方式的变革性改变. 为了满足未来农业的需求, 对农业生产的主体——作物也提出了新的要求和挑战.
科学技术的进步是产业发展的有力保障. 20世纪50年代至今, 矮化育种、杂交育种推动了作物育种, 作物产量大幅度提高. 随着高通量组学技术的发展和应用, 优异种质资源形成规律、新基因挖掘与功能解析、产量品质和抗性等重要性状形成的分子机制研究取得了重大进展, 分子设计育种等现代科学理论与技术得以发展和不断完善. 下面就分子设计育种的国内外研究现状、未来发展趋势、我国面临的瓶颈等进行阐述, 并提出相应的对策和2035年的战略布局.
粮食为人类提供了最根本的需求, 是决定社会发展的关键因素. 通过人类的不懈努力, 全球粮食生产能力持续提升, 尤其是第二次工业以后, 世界粮食总产量有了大幅提高. 以中国为例, 主要粮食作物——水稻的年产量从1950年的5700万吨(年人均约100 kg)增加到2020年的2亿多吨(年人均约140 kg).然而, 在世界粮食总产不断提升的同时, 饥饿和营养不良问题仍然持续困扰着亿万民众, 粮食安全问题依旧存在. 当前世界两大特征影响未来粮食安全: (ⅰ) 人口数量增加、中高等收入群体占比上升和膳食结构变化带来的全球食物安全问题[1]. 到2050年, 世界人口预计接近100亿, 比2020年增加近20亿; 中等收入家庭占比将由7.8%上升到9.7%, 高等收入家庭占比将由3.2%上升到5.6%; 与此同时, 膳食结构中, 动物性蛋白需求大幅度增加, 随之产生的植物类的饲料需求剧增, 同时, 生产、加工、运输、存储和消费习惯带来的食物浪费十分严重. 这些变化深刻影响着全球食物安全, 据测算, 食物总量需要增加一倍才能满足100亿人的吃饭问题[2]. (ⅱ) 全球变化深刻影响着农业的发展. 全球范围内, 灾害气候频发、耕地资源减少、水资源变得越来越匮乏, 这些都从不同的层面要求提高食物生产效率[3,4].
2020年《世界粮食安全和营养状况》[5]估计, 2019年饥饿人数近6.9亿, 新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019, COVID-19)疫情导致可能饥饿人数新增超过1.3亿. 同时, 人类生活方式和食物消费的改变导致了隐性饥饿现象的出现, 高昂的粮食成本和低经济收入致使30亿人无法吃上健康、有营养的食物[6]. 在撒哈拉以南非洲和南亚, 57%的人口无法支付健康膳食的成本(国际贫困线美元), 欧洲、亚洲和北美洲也同样包括这类人群或食物不足人群. 与此同时, 全球有3800万五岁以下儿童超重, 肥胖已在中呈全球蔓延趋势. 面临如此严峻的人口、资源和气候灾害问题, 全球粮食安全依然面临挑战[7~11].
种子是农业的“芯片”, 良种对我国粮食增产的贡献率超过40%[12]. 世界生物育种技术发展已经历了三个主要阶段: 原始驯化选育(1.0时代; 通过人工选择, 优中选优, 将野生种驯化为栽培种并进一步选育为优良品种与种质)、常规育种(2.0时代; 包括杂交育种、诱变育种、优势利用等育种方法. 杂交育种是通过父母本杂交并对杂交后代进一步筛选, 获得具有父母本优良性状的新品种新种质; 诱变育种是人为利用物理、化学等因素, 诱发亲本材料产生突变, 从中选育具有优良性状的新品种新种质)、分子育种(3.0时代; 将分子生物学技术手段应用于育种中, 通常包括分子标记辅助育种、转基因育种和分子模块育种等). 现在正在向设计育种或智能化育种(4.0时代; 将基因编辑、生物育种、人工智能等技术融合发展, 实现性状的精准定向改良)发展. 纵观育种技术发展历程, 每一次技术的革新都与基础理论的突破密切相关. 对不同作物的原始驯化选育可以追溯到数千年至上万年前, 但真正意义上的科学育种并由此发展起来的农业产业始于孟德尔遗传定律的重大发现. 最早的育种研究论文可以追溯到1905年Biffen[13]发表的关于小麦育种的研究. 20世纪30年代的玉米杂交育种和20世纪60年代矮秆绿色基因的成功应用成为杂交育种的里程碑. 常规育种在过去近百年对农业的发展起到了巨大的推动作用, 但常规育种存在育种周期长、遗传改良实践效率偏低的缺陷, 整个育种周期一般需要8~10年[14]. 1953年, DNA双螺旋结构的解析标志着生命科学研究进入分子水平阶段. 而基于分子生物学理论的分子育种发源于20世纪90年代初, 得益于DNA分子标记技术的开发和转基因生物育种技术的发展, 特别是以功能分子模块和可遗传操作为特征的分子模块育种, 大大增加了育种的目标性, 明显减少了育种周期, 品种培育效率得到大幅度提升. 2005年后, 以新一代测序、基因组编辑、单倍体制种等为代表的新型技术的出现, 全面改写了作物育种的理论与策略, 分子设计育种应运而生. 分子设计育种将生物遗传学理论与杂交育种相结合, 基于对控制作物重要性状的关键基因及其调控网络的认识, 利用基因组学、表型组学等多组学数据进行生物信息学的解析、整合、筛选、优化, 从而获取育种目标的最佳基因型, 最终高效精准地培育出目标新品种[15]. 分子设计育种彰显出比传统杂交育种更为突出的优越性, 尤其是整合了基因组编辑技术, 可将育种周期缩短至2~5年, 大大提高了育种效率, 已经成为作物育种新发展方向[14].
上述不同育种发展阶段, 在理论与技术探索方面有着不同的特征. 对全球4万篇作物育种文献的分析表明(图1), 在人工选择与常规育种的时代, 论文的数目极少, 仅有91篇, 且增长缓慢. 转基因生物育种与分子标记辅助育种技术的出现也带来了科技论文的增加, 1991年发文量突增至355篇并逐步增加到2005年的851篇. 自2006年后, 科技论文出现直线快速增长阶段, 充分反映了新理论与新技术带来的全面科技创新与知识信息大爆炸. 中国现代作物育种尽管起步晚于西方, 但发展迅速, 尤其自2003年, 我国科学家倡导并率先发展了以水稻为模式的作物育种基础理论与技术研究, 中国成为水稻等作物育种技术及其理论研究的引领者. 迄今, 我国作物育种科技论文已达7967篇, 位居第二, 仅次于美国的10690篇.
图 1. 全球不同作物育种阶段论文数量变化趋势(Pubmed). 作物育种大致分为经典人工选择与常规育种、分子育种(包括转基因育种)和分子设计育种等阶段. 每个阶段的都蕴含着理论与技术的突破, 体现在科技论文发文数量增长上的不同特征
近10年来, 我国先后启动了多个分子设计育种相关的项目, 如中国科学院启动实施的战略性先导科技专项(A类)“分子模块设计育种创新体系”、“种子精准设计与创造”项目, 科技部启动实施的“七大农作物育种”项目. 通过项目实施, 我国在作物基因组、水稻理想株型、水稻优势、养分高效利用、作物-微生物互作、作物基因组编辑和分子改良等方面均取得了一系列突破性成果, 在部分研究领域已经处于世界引领地位[16,17].
我国是较早启动植物基因组研究的国家. 自1998年参与国际水稻基因组测序计划以来, 我国科学家先后主持和参与了水稻、番茄、大豆、马铃薯、油菜、棉花、黄瓜、小麦、苜蓿等主要粮食作物和经济作物的全基因组测序和功能注释, 并呈现出从参与到主导、从研究非主粮作物到主要作物、从研究地区性作物到全球性作物的态势, 在植物基因组学研究领域已处于国际领先地位. 利用基因组学分析手段, 在水稻种质资源演化、重要农艺性状的全基因组关联分析方面取得了一系列重要成果. 由我国科学家主持的小麦基因组测序的完成和基因组精细图谱的绘制[18~21], 为世界科学家对小麦生长发育和遗传改良的基础研究奠定了重要基础. 最近, 我国在泛基因组研究方面也取得一系列重要进展, 如在大豆和水稻中实现了图形结构基因组的构建, 使得对基因组信息的认知从一维转变为二维, 将开启基因组研究的一个新方向[22,23].
在植物激素和生长发育信号研究领域, 独脚金内酯控制作物分枝和株型建成的信号途径研究取得了重大突破, 分离鉴定了水稻理想株型的主效基因IPA1[24], 揭示了其调控水稻株型形成的分子机理[25], 这是该研究领域的一项奠基性重大发现. 在作物应对生物和非生物胁迫的响应机制研究领域, 挖掘了水稻抗褐飞虱等抗虫基因, 发现水稻感受低温的重要基因COLD1及其人工驯化选择的SNP赋予粳稻耐寒性的新机制[26]. 在植物光合作用研究领域, 解析了植物光系统Ⅱ、光系统Ⅰ与捕光天线超分子复合物(LHCI)等蛋白质结构, 阐明了光能吸收、传递和转化机制, 揭示了叶绿体蛋白转运新机制[27]. 在植物生殖发育研究领域, 我国科学家发现了植物受精过程中雌雄配子体信号识别和水稻雄性不育的调控机制. 在资源利用效率研究方面, 我国科学家发现决定水稻氮利用效率的氮高效基因NRT1.1B,GRF4,NGR5,OsTCP19等[28~31], 有望推动氮素高效利用新品种的培育, 为我国粮食安全和生态安全提供重要的基因资源.
我国科学家在世界上率先实现对水稻、小麦、玉米、大麦等农作物重要农艺性状的基因组编辑, 成功实现了水稻、玉米和小麦等重要农作物的定点突变、替换、插入、单碱基点突变、精准过表达等各种基因组编辑操作. 首次建立植物CRISPR/Cas9基因组编辑技术体系[32,33]; 建立了DNA-free转化的安全作物基因组编辑育种技术. 利用基因组编辑技术创制了抗白粉病小麦[34]、香米[35]、高维生素C生菜[36]、不同糖分草莓[37]等新种质, 构建了作物高通量育种技术[38], 建立了抗病毒育种新方法[39], 实现了四倍体水稻的快速定向驯化[40]和番茄的从头驯化[41]. 最近, 我国科学家揭示了护卫CRISPR-Cas的全新毒素-抗毒素RNA系统[42]. 这些理论和技术的积累为我国未来新作物的创制打下了良好基础.
在分子设计品种培育方面, 水稻重要农艺性状的分子模块理论及其育种应用上取得的成果尤为突出, 走在了分子设计育种的前沿. 2015年以来, 中国科学院李家洋团队与合作者利用“水稻高产优质性状形成分子机理及品种设计”理论基础和品种设计理念, 成功培育出高产、优质、高抗的“中科发”系列和“嘉优中科”系列等新品种, 为水稻和其他农作物的精准高效分子设计育种起到了示范与引领作用. 中国农业科学院万建民研究团队利用粳稻品种Asominori为背景、籼稻品种IR24为供体的65个染色体片段置换系(chromo
