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经济论文

对中国作物种业科学技术发展的评论考究

 

【摘要】《国务院关于加快推进现代农作物种业发展的意见》提出构建以产业为主导、企业为主体、“育繁推一体化”的现代农作物种业体系,全面提升中国农作物种业发展水平。国内外种业的发展推动了种业科学的形成和发展。种业科学是围绕“育繁推一体化”种业产业发展而形成的科学技术学科类群,作物遗传育种是其中的一部分,它和种子生产的理论与技术、种子示范和营销的理论与技术构成了种业科学技术的主体,在相应的遗传、生理、信息技术、政策法规等学科知识的配合下成为相对集中的学科体系。中国的种业科学技术体系正在形成与完善之中。文章在回顾作物育种科学技术进展包括传统的作物育种科学技术和现时分子生物育种研究热点的基础上,归纳出现时重要的8个育种理论和技术问题,继而回顾了作物种子生产和示范推广科学技术的进展,并在此基础上探讨了中国种业科学技术发展的策略和建议。提出要围绕种业发展的需求,建成相对完整的种业科学技术学科体系;要顶层设计,建设成企业种业科技和公益性种业科技两支相互补充、相互配合的种业科学技术研发力量;要优先研究和解决种业发展中的重大科学技术问题,其中包括规模化育种技术,资源富集、遗传解析与创新,常规育种的分子辅助技术,转基因育种与安全技术,品种区域适应性试验制度与品种审定制度的完善,配齐种业基础性公益性研究并确立种子生产标准化体系,加强作物杂优化研发使杂种化成为中国未来种业的特色等。
【关键词】作物种业;育繁推一体化;规模化商业育种;种子生产标准化;分子辅助育种技术
1 国内外作物种业的发展推动了种业科学的发展
    2050年全球人口将超过90亿,作物生产必须在2050年前实现翻番才能满足全球人口的需求。要实现这个目标,必须以2.4%的年增长率递增,而目前平均增长率仅1.3%[1]。耕地资源的开发和生产水平的提高是解决问题的2个关键途径。耕地资源有限,生产水平则是开放的。品种改良和栽培水平两者间,品种改良是主动性因素,栽培水平的实现以品种特性和水平的上限为依据。因而,全世界都十分重视品种改良和种业发展,从而驱动种业科学技术的发展。
    20世纪70年代,玉米小斑病感染T型不育系导致美国玉米毁灭性损失,促使育种学家对于作物品种遗传脆弱性的深刻反思,由此推动了对作物种质资源的研究以及作物种业的发展[2]。国际种业从20世纪70年代起就有了新起步,作物种业从公益性部门扩展、转移到民营企业。迄今美国的种业90%以上属于民营企业。种业作为一个产业,是支撑农作物生产的最基本产业。以种业为背景的科学技术归之为种业科学技术。种业公司相继从高等学校吸收育种毕业生,聘请在任或退休教授,建立从育种到种子生产和种子精选、加工、检验、销售的技术体系。一批包括Monsanto、Pioneer、Syngenta、Bayer等在内的全世界跨国种业公司成长起来[3]。公司竞相发展种业科技并与公益性研究机构的科技研究相互呼应、补充或结合,推动了现代种业科学技术体系的建立。种业的竞争深入到品种、种子质量、销售推广等各个方面,因而推动了育、繁、推各环节科学技术,尤其是现代分子生物科技在种业中应用的快速发展。
    中国21世纪前后才重视种子产业的发展。这以往种子是公益性事业。品种选育和种子的繁殖、推广都是政府的行政事业,种子部门的工作重点是组织新品种选育、试验、示范以及种子的生产和推广。研究部门主要负责新品种培育,各级原(良)种场负责种子繁殖和提纯复壮,农民和合作组织对推广品种进行自繁、自选、自留、自用,辅之以调剂。当时种业的科学依托是作物育种学和种子学,因为种子未成为产业,种业科学停留在一个单调的育种理论和技术的体系。随着种业的发展,种业科学的内涵不断扩展,涉及到品种选育、品种潜力挖掘、种子生产、种子经营、技术推广和法律法规等各个方面。
    中国是作物生产大国和用种大国。农作物种业已明确为国家战略性、基础性核心产业,是促进农业长期稳定发展、保障国家粮食安全和农产品有效供给的根本。国家十分重视农作物种业的发展,国务院连续3年发布了3个国家发展农作物种业的文件,即:《国务院关于加快推进现代农作物种业发展的意见(国发〔2011〕8号)》、《全国现代农作物种业发展规划(2012—2020年)(国办发〔2012〕59号)》和《深化种业体制改革提高创新能力的意见(国办发〔2013〕109号)》。文件明确国家发展种业的指导思想是“以科学发展观为指导,推进体制改革和机制创新,完善法律法规,整合农作物种业资源,加大政策扶持,增加农作物种业投入,强化市场监管,快速提升中国农作物种业科技创新能力、企业竞争能力、供种保障能力和市场监管能力,构建以产业为主导、企业为主体、基地为依托、产学研相结合、‘育繁推一体化’的现代农作物种业体系,全面提升中国农作物种业发展水平”[4]。提出中国发展农作物种业的目标为“到2020年,形成科研分工合理、产学研相结合、资源集中、运行高效的育种新机制,培育一批具有重大应用前景和自主知识产权的突破性优良品种,建设一批标准化、规模化、集约化、机械化的优势种子生产基地,打造一批育种能力强、生产加工技术先进、市场营销网络健全、技术服务到位的‘育繁推一体化’现代农作物种业集团,健全职责明确、手段先进、监管有力的种子管理体系,显著提高优良品种自主研发能力和覆盖率,确保粮食等主要农产品有效供给”[5]。而且提出要“加快种子生产基地建设”,“加强种子市场监管”。“建立种子市场秩序行业评价机制,督促企业建立种子可追溯信息系统,完善全程可追溯管理……规范种子营销网络”。“国家级和省部级科研院所和高等院校要重点开展种质资源搜集、保护、鉴定、育种材料的改良和创制,重点开展育种理论方法和技术、分子生物技术、品种检测技术、种子生产加工和检验技术等基础性、前沿性和应用技术性研究以及常规作物育种和无性繁殖材料选育等公益性研究。推进实施转基因生物新品种培育重大专项。完善公共研究成果共享机制,为种子企业提供科技支撑”[6]。
    根据国家对于农作物种业发展的指导方针和种业科学技术内涵的发展,中国有待在以往作物遗传育种学科的基础上建立起种业科学技术的完整体系。下文在评述国内外作物育种、种子生产和种子推广科学技术进展的基础上,着重就中国种业科学技术的发展提出一些讨论意见。
2  作物育种科学技术的进展
2.1 传统的作物育种科学技术
    植物育种的历史可以追溯到农作物物种的驯化,作物驯化和选择育种的历史超过了10000年[7]。人类从众多的个体中,把可能由于突变或者重组而表现非凡的个体识别并选留下来,然后有意识或者无意识地繁殖他们最喜爱的类型。最后成为农家地方品种。但驯化之后,作物的改良非常缓慢,其原因可能是因为不知道如何创造人类需要的变异。17世纪和18世纪处于启蒙运动的欧洲,人口增长和城市化刺激提高作物产量的渴望,人们开始有意识地选择有用植物,但是植物改良超前于遗传学发展,此时兴起的植物学,授粉、杂交以及杂种优势现象的阐述对系统育种作出了贡献。但是直到达尔文和孟德尔学说的问世,才引发了过去100多年作物遗传育种的大发展。
    20世纪之前的育种,基本上是对表现型进行直接选择,因此,常常又被称为“经验育种”。早期的选择育种主要是对自然变异进行选择,在20世纪上半叶及以前一直发挥着主导作用,是历史最悠久的育种方法。在中国,先是从水稻南特品种中选出了南特16号等品种,进而又选出了矮脚南特,从矮脚南特中又选出了近20个品种[8];从引进的小麦品种阿夫中选出了扬麦1号、白泉673等十几个品种[9];从引进的陆地棉品种岱字15中选出了近40多个品种[10]。19世纪末到20世纪初,英国一些种子公司就从全球收集植物,进行复合杂交,并从中选择“突破类型”,孟德尔时代之前的这种杂交育种,已经取得很大成功,甚至这些成功本身阻碍了孟德尔规律的采用。随着孟德尔遗传规律的广泛传播,育种家可以根据孟德尔规律有目的地选配不同亲本进行杂交、自交、回交,再通过后代选择,获得符合人类需求的重组类型或超亲分离类型。在中国,通过杂交育种途径育成的品种占所有育成品种的比例从20世纪50年代的14.8%、60—70年代35.5%和80年代79%,上升到目前约100%。
    回交育种则是被发明用于对特定的单个目标性状进行遗传转移的技术。中国用鸡脚棉与推广品种德字棉531杂交,经多次回交后,于1944年育成抗卷叶螟的鸡脚德字棉。美国用抗根腐病的大豆材料与高产品种回交后,得到抗病品种哈罗索63等,在严重发病条件下,产量为原品种的3倍。加拿大利用回交法,得到了低芥酸和低硫代葡萄糖苷油菜品种托尔。玉米抗大斑病Ht和抗小斑病rhm的转育,也应用了回交育种方法。另外,采取修饰回交技术有利于打破性状的不良连锁,并实现对多个性状的同步改良[11]。玉米杂种优势现象的发现和双杂交种的商业化应用,是20世纪初育种工作的突破性成就。直到20世纪60年代,得益于培育优良自交系的努力,玉米单交种逐步取代双交种,产量得到进一步提高的同时,还节约了大量的用于杂交的时间和工本。1933年首次发现的玉米细胞质雄性不育系,则为玉米杂种优势的利用开辟了新的思路和途径。玉米杂种优势的商业化利用,推动了其他作物杂种优势利用的研究,先后在高粱、水稻、油菜、棉花等大田作物上成功应用并大面积推广。其中,中国科学家在杂交水稻研究和应用方面作出了突出贡献[12]。高选择压力、轮回使用优质受体种质以及采取回交等减少遗传重组的育种策略使品种得到改良的同时也降低了品种遗传基础的多样性。例如,美国大多数硬红冬小麦品种主要来源于2个东欧品系;栽培水稻的基因库遗传变异较野生近缘种狭窄;即使在具有高度多样性的玉米中,也有平均大约30%位点的多样性3306中国农业科学48卷比玉米野生近缘种低。此外,往往存在现有种质资源缺乏目标性状的基因,或者同一作物品种之间存在不可弥补的缺点。远缘杂交可以在一定范围内有效打破物种之间的界限,促进不同物种基因的渐渗和交流,引入异种甚至异属物种的有利基因或等位变异,培育作物新品种。通过远缘杂交创造的包含不同物种染色体组的作物新类型,异附加系、置换系、易位系等各种异染色体系,单倍体或者细胞质雄性不育系等各种新种质,大大丰富了作物遗传改良的基因资源。小麦中,有近30种不同病害抗性基因从野生近缘种渐渗到栽培种中,例如利用黑麦1R染色体短臂与小麦染色体易位系培育的品种占17个国家505个面包小麦品种的45%。从二倍体栽培一粒小麦渗入到小麦中的Pin的功能等位基因使小麦表现为软质籽粒。大麦的改良也得益于野生大麦和中东地方品种大麦的基因。还有从球茎大麦转移到大麦的白粉病抗性基因和大麦云纹病抗性基因。中国科学院李振声等将普通小麦与长穗偃麦草杂交,育成了多种小偃麦杂种新类型(异源八倍体、异附加系、异代换系和易位系)和小偃4号、小偃5号、小偃6号等一系列优良小麦新品种,其中以小偃6号表现最为突出,1985年推广面积超过6.7×105hm2,开创了小麦远缘杂交育种在生产上大面积推广的先例[13]。中国农业科学院鲍文奎等人工合成了八倍体小黑麦。
    诱变育种通过人工采用物理、化学或者太空等因素的诱发,不仅可以创造全新的变异,还能促进远缘杂交过程中染色体的变异。另外通过轮回选择等群体遗传改良手段,可以提高群体优良基因和基因型频率,增加优良基因的重组,使有利等位基因聚集到同一个体之中,从而创造新的种质资源,或者改良外来种质的适应性等。传统育种取得了巨大的成功,作物产量的提高主要归功于特异种质发掘、创新和有效利用。据统计,大多数国家谷物和豆类作物的年遗传增益达到了10—50kg•hm-2。利用矮秆基因(来自低脚乌尖水稻的Sd1,来自Norin10小麦的Rht1和Rht2)培育的高产、耐肥、抗倒伏水稻和小麦品种以及可以抵御高密度种植的杂交玉米新品种在发展中国家的推广使用,短短几年时间里实现了粮食产量的大幅度增产,被誉为“绿色革命”,使许多国家基本摆脱了饥饿[14]。近年来,控制分蘖、分枝以及种子数量的单基因性状也得以应用。传统育种对单个基因的选择和应用非常有效,但是对于遗传率低、基因型-环境互作显著的复杂性状,例如产量和品质性状、生物胁迫和非生物胁迫抗耐性等的改良进展有限。而这些性状恰恰是提高作物产量潜力和产量稳定性的关键性状。进一步增产有赖于将传统育种与远缘杂交、基因组学、转基因技术相结合,提高作物产量潜力和生物与非生物抗耐性,适应各种农业生态位。
2.2 现时分子生物育种的研究热点
    虽然在过去的一个世纪里传统育种使用丰富的种质资源取得了巨大的成功,但是遗传增益日渐萎缩是当前育种面临的一大挑战。栽培品种、地方品种、野生近缘种等种质资源中还有没有可资利用的优良基因或者等位基因?通过外源基因渗入和优良等位基因的累积还能不能有效提高育种的遗传增益?如果有,如何才能有效鉴定和利用这些基因资源?这些问题的答案直接关系作物育种的目标和策略的制定。过去30年里,人们在分子标记技术、DNA测序技术、数据计算技术、生物技术、遥感技术、信息技术等领域取得了突破性进展。全球转基因作物(GM作物)种植面积已经超过了耕地面积的10%。分子标记辅助选择(markerassistedselection,MAS)为许多育种程序增添了潜力。随着新一代测序技术的发展和广泛应用,已经有超过50种作物的参考基因组公布。这些基因组信息正在改变种质资源的研究以及遗传多样性的应用,反过来,将改变传统育种策略。基因组途径,例如基因组重测序、等位基因发掘以及基因组选择将整合传统技术用于基因型鉴定、种质资源筛选以及品种选育。
2.2.1 分子标记辅助育种
    20世纪80年代兴起的DNA标记技术,经历了标记开发、遗传图谱、功能和比较基因组连锁分析及基因组测序等不同发展时期。应用分子标记可以对种质资源、杂交亲本和后代个体进行大规模的基因型鉴定,可以构建遗传图谱并与表型数据建立联系。基因组学的革命,可以大大提高育种效率和规模。分子标记可以用来(1)区分品种,构建杂种优势群体;(2)鉴定种质资源冗余度、未充分发掘的等位基因以及现有种质资源的遗传构成;(3)监测种质资源储存、繁育、驯化以及育种过程中的遗传飘变;(4)筛选新基因或超等位基因种质资源;(5)构建作物核心种质库或代表性子集等。
    虽然所有的分子标记都可以用于标记辅助选择(MAS),但是SSR、SNP因其简易、量大、共显性、自动化等优点而被广泛应用。大规模二代测序技术(nextgenerationsequencing,NGS)使测序成本降低了1000倍以上,可以应用于作物遗传分析和改良。基因组测序大大提高了人们对于植物基因组组成、表达、进化和功能的研究能力,提高了全基因组范围多态性发现的效率[15]。探索作物种质资源基因组多样化的驱动力及其多样性的遗传基础是作物遗传育种的一个挑战性命题。密集的分子标记遗传图谱和基因组序列可以更精细地评价作物基因库的多样性。越来越多的证据指出,一些作物,例如玉米的遗传多样性的很大一部分来自于整个表达基因的存在/缺失变异(presence/absencevariations,PAV)和数目变异(copynumbervariant,CNV)。当PAV为主要遗传多样性时,参考基因组序列不能完整描述某个物种的遗传组分。由此提出了“全基因组”概念。全基因组由包含所有种质共同的基因组特征的核心基因组,以及只有部分或没有共有序列的非必需基因组两部分组成。因此,要全面描述一个物种的基因组组成,需要测定不同种质系的基因组序列。揭示非必需基因组的成分和功能可能是了解表型多样性发生机制的关键步骤。显然,这种功能基因含量的变异预示自交系功能基因的丢失可以在杂交种中得到互补,从而导致杂种优势效应[16]。分子证据表明几个世纪的选择育种过程中,作物丢失了大量有用或者无用的等位基因。要充分利用种质资源中的有利等位基因资源,需要提高对关键性状分子基础的认识,拓宽种质资源库的表型和基因型,提高外源染色体片段的渗入效率和比例。
    分子标记的应用可以提高种质资源的鉴定与创新和育种的效率。MAS广泛应用于渗入性状和简单遗传基础的性状选择,尤其是抗病性选择。通过回交和分子标记辅助选择,将野生种有益等位基因渗入到优良栽培种时,连锁累赘可能降低了最终效果。对于复杂的农艺性状,由于存在受环境影响表达的QTL之间的互作,使问题复杂化。这些缺点可以通过大规模开发基因组资源,从生理水平解析QTL×环境、QTL×QTL互作得到部分解决。
2.2.2 QTL与基因组选择
    作物育种的主攻性状几乎都是复杂的数量性状。最新的基因组学,特别是NGS技术的发展使人们可用更低的成本获取更多的植物种质资源遗传组成信息。表型鉴定技术的显著进步使人们能够以前所未有的准确度、速度和低成本测定控制条件下或田间多个个体农艺相关表型,其结果是QTL的数目急剧增加而单个QTL的贡献却很小。因而有人认为目前“QTL在纸上而不是在品种里”[17]。通过QTL元分析(Meta分析),可以将来自不同群体、不同环境同一性状的QTL以及采用连锁分析或者全基因组关联分析(genome-wideassociationstudy,GWAS)得到的QTL进行合成,从而更好地估计QTL效应。另外,元分析还试图分析QTL的上位性、多效性以及与环境的互作效应。但由于个体数量性状表现型可能是非线性效应,正确预测等位基因以及QTL单倍型新的重组可能有难度,需要进一步探索[18]。对于器官、组织、生理、代谢等不同水平的性状和不同发育时期的动态性状,如叶面积指数、植物生物量、代谢物含量等,通过分析所谓隐藏的遗传变异及其QTL,可以鉴定复杂性状组分的QTL[19-20]。与不同组学研究相结合,获得表达QTL(eQTL)、蛋白质QTL(pQTL)以及代谢QTL(mQTL),可以用来发现性状形成的分子机制[21]。所有这些都可能为育种提供新的机会。虽然育种资源中含有少量强效应QTL,但是一些主效QTL已经被定位、确证、克隆甚至在分子标记辅助育种(markerassistedbreeding,MAB)中应用。育种框架中的QTL信息可用于回交育种和设计育种,或者单倍型育种。这些途径谋求通过标记辅助选择已知的关键位点上的有益等位基因培养新品种。QTL一旦被克隆,就可以用来培育转基因作物。
    QTL效应一般呈L形分布,即大效应QTL数目逐渐减少,而小效应QTL数目逐渐增多。目前,大多数研究的检测能力不能鉴定大量数目的小效应QTL,也就是说大量的小效应QTL被埋没在“冰山”之下。大效应QTL容易在育种选择过程中丢失,而小效应QTL在育种选择过程中,不太容易被淘汰。因此,除了从种质资源中“重新获取”那些消失的大效应QTL用于MAS,还要考虑如何有效捕获和利用大量的小效应QTL。最近提出的基因组选择(genomeselection,GS)是MAS的延伸。这种方法不考虑单个QTL,而是通过对分布于整个基因组的大量数目分子标记基因型估算个体的育种值,实际上,其模型针对的是无法检测的小效应QTL。该法根据多标记基因型计算个体育种值(genomicestimatedbreedingvalue,GEBV)作为选择值。和MAS一样,GS包括2个步骤:练习期和育种期。在练习期对亚群体进行表现型和基因型的关联分析,在育种期鉴定育种群体的基因型,按由基因型估算的GEBV进行选择。GS可望能够解决MAS不能揭示的微效基因选择问题。但是也有观点认为,GS可能并不适用于植物复杂性状的改良[22]。GS是一个植物育种潜在有用的方法,但是GS不是表型选择的完美替代。它应该与传统育种整合,使传统育种更加快速高效。
    基因组学数据还为设计和培育携带预先设定的性状的新品种(分子设计育种)提供了可能性。全球基因组学正集中努力揭示农艺性状的遗传基础,分析相应位点等位基因变异,最终使育种者能够先模拟设计理想的类型,再在植物中构建新的基因型。虽然这个途径目前还未收到育种家的普遍重视,但已有一些报道。例如具有抗多种病虫害、高营养效率和抗旱的“绿色超级水稻”新品种的培育中,第一个阶段已经部分取得成功,已经培育和评估出携带单个基因并对关键性状的表达有主效作用的优良家系。第二阶段,累积所有控制目标性状的主效基因,培育具有多重抗性和适应性的性状,此阶段正在进行。如果全面贯穿,GS不仅将有助于设计具有少数目标性状,还将可能设计具有基因组所有优良目标性状位点的新植物,完全实现分子设计育种的概念。
2.2.3 等位基因挖掘:通过测序探究植物多样性采用DNA技术可以在一个代表性的种质库中大规模解析与特定等位变异关联的基因或候选位点变异。第一个挖掘等位基因的技术是Eco-TILLING,通过核酸酶剪切杂合双链DNA分子,测定每个基因型与参考基因型之间的SNP。随着成本的不断降低,应用NGS技术可以进行复等位基因检测,等位基因挖掘正成为一种探索植物多样性的新常规化方法。而且,NGS为分析单倍型结构(包括频率、类型等)、拓展关联作图铺平了道路。早期的等位基因挖掘研究完全建立在搜索基因编码区的突变,因此,与蛋白质的结构和功能的变化有关。目前的重点已经延伸到对基因表达水平有重要效应的非编码序列,例如内含子、UTR(untranslatedregion)和启动子。
    在种质选择中,对特异基因和明显关联等位基因的挖掘正发挥越来越重要的作用。种质资源重点鉴定策略(focusedidentificationofgermplasmstrategy,FIGS)是结合环境和植物特征来鉴定对某一特定环境具有潜在意义的种质资源的方案。应用FIGS,例如,从一个拥有16089个种质系的种质资源中选出1320个面包小麦地方品种,进行等位基因挖掘,搜索Pm3位点白粉病抗性的变异。分析该位点带有核酸变异种质系的表型,发现了7个新的抗性等位基因。对几百个大麦基因型进行等位基因挖掘,发现Mla位点上有白粉病抗性新位点、Rdg2a叶条纹病抗性以及VRN-H1/H4春化位点有新等位基因。在水稻中,等位基因挖掘能够鉴定Wx位点编码颗粒结合淀粉合酶等等。等位基因挖掘主要集中于单个或者几个特别位点,最新的NGS可以同时定向测定几百个位点,整个外显子组(exome),或者整个基因组。将这些技术运用到大的种质资源库可以在一个平行测定中发现所选择的若干个种质系的大多数位点的等位基因多样性。例如对500个中国水稻地方品种进行重测序大规模评价基因组遗传变异,鉴定了360万个SNPs,用于描绘籼稻和粳稻地方品种的连锁不平衡结构(LD),构建高密度的单倍型图谱。通过对14个农艺性状的全基因组进行关联分析,表明这个途径是进行遗传作图、复杂性状遗传分析的重要替代方案。大豆中,综合GWAS对31个栽培种和野生种进行重测序,检测到高水平LD以及大约200000个SNPs,可以用来定位复杂性状的QTL[23]。
2.2.4 转基因育种
    植物转基因完全打破了物种界限,为育种者提供了传统方法无法接触的新基因。来自不同物种的基因可以插入并在农作物背景中表达,而且没有其他附加效应。通过选择不同的启动子,可以改变基因时空表达模式和强弱。转基因可以解决许多在主要作物中缺乏而且难以引进的基因。目前已经在抗病、虫、草等性状上获得了成功。除此之外,作物的营养、品质、磷吸收利用效率、固氮效率、对土壤盐分和铝毒耐性、光合速率、糖淀粉生产、雄性不育和无融合生殖固定自交作物的杂种优势等性状都被列为转基因(GM)的目标性状。目前,全世界的实验室里已经获得了大量的转基因作物,但实际应用的很少。除了政治和环境方面的考虑之外,单个或者少数几个基因对于复杂性状表现的影响非常有限,尤其是释放到大田经过“稀释”之后。植物转基因还容易产生基因组位置效应和基因沉默现象。然而,科学家相信,未来GM将是育种的重要途径。2012年全球GM作物面积达到1.7×108hm2,占总耕地面积的11%,52%的GM作物种植在发展中国家,而且发展中国家GM作物面积的增长率(11%)高于发达国家(3%)。92%以上的商业化GM作物集中在美国、巴西、阿根廷、加拿大、印度和中国。98%的GM作物是大豆(47%)、玉米(32%)、棉花(14%)和油菜(5%)。主要性状为抗除草剂(主要为抗草甘膦和草铵膦)和抗虫[23]。
2.2.5 超GM植物——新育种技术
    随着分子生物学和基因组学技术的发展,现在可以利用重组DNA技术在作物品种早期选择阶段引入新的性状,而最后获得的植物基因组不含任何外来DNA系列。这样的技术总称为新育种技术。新育种技术促进了GM事件的发生,但是它们的终产物没有外源基因,获得的品种类似于采用传统点突变技术。考虑到早期阶段GM的介入,在法律上将通过这些技术获得的作物归类为生物技术来源作物(例如欧盟指引2001/18/EC)。
    目前,最重要的新育种技术是促进座位特异性点突变技术。由于基因序列的微小变化对于植物基因型可以产生显著的影响,这种技术试图对基因组特定序列进行修饰,用来创造新的等位基因。寡核苷酸定点突变(oligonucleotide-directedmutagenesis,ODM)、转录激活样效应因子核酸酶(transcriptionactivatorlikeeffectornuclease,TALEN)技术、锌指核酸酶(zinc-fingernuclease,ZFN)、成簇规律间隔短回文重(clusteredregulatoryinterspacedshortpalindromicrepeat,CRISPR)技术可以特异性修饰某个靶向序列,与传统的点突变相似,但是效率更高,速度更快,没有多余的随机突变。这些技术对育种的意义和影响还有待观察,但其有创新性的前景。例如,利用ODM方法获得了玉米、小麦、水稻、烟草的新除草剂抗性以及油菜和香蕉抗生物胁迫性;利用CRISPR技术可以提高小麦对白粉病的抗性[24]。
2.3 现时中国需要优先解决的作物育种理论和技术问题
    当前,中国种子企业的育种力量正在形成或发展壮大,作物种业的育种队伍主力仍然在公益性研究单位,这两支力量主要从事传统育种工作,新品种几乎完全出自这两支队伍。公益性研究单位还有一支相当强的力量也在从事与育种有关的研究,但受SCI论文分数的驱使,虽然研究的命题和育种有关,实际偏向于分子生物学。这两部分工作正巧分别与以上所述传统作物育种科学技术和现时分子生物育种研究热点相对应。目前,中国作物育种这两方面的研究在很大程度上还处于分离状态,缺少交叉和融合。因而现时分子生物育种研究热点的工作与实际种业的育种工作间有待建立起相应的桥梁或通道,在育种实践中检验、优选、修正和延伸。这中间的路程需要组织科技力量去打通,当然有些途径可能行得通,有些途径可能行不通。从目前中国种业现状出发,步入规模化商业育种,需优先解决的育种理论和技术问题有以下8个方面。
2.3.1 种业的目标性状
    要研究纳入育种目标性状的界定,通用型品种与专用型品种性状的配置和生态适应性的优化。育种目标性状是以生产和利用为基准的,与生育过程有关,以耐旱性为例,是各种耐旱机制的综合表现,个别组成型性状不一定能代表真实的育种要求,作为育种目标性状的要求不一定与个别生理研究的指标一致[25]。因而必须界定育种目标性状的要求,确定标准鉴定方法,在此基础上优化与生态区和产品利用方向一致的综合目标要求。
2.3.2 性状的精准鉴定
    育种的关键在于精准表型鉴定和基因型鉴定。很难设想粗糙的试验评价会给出精准的结论。要建立大规模育种材料田间产量的精准鉴定技术(包括试验设计技术)、田间农艺性状的规模化精准鉴定技术及品质、抗生物逆境、耐非生物逆境、育性等的精准鉴定技术。这些是规模化育种重要而必须解决的简单命题,商业化作物育种必然是规模化育种,优良品种的界定、标记辅助基因型选择是手段,最终还要落实在表型的真实评价,因而性状的规模化精准评价是关键。
2.3.3 种业基因的源泉
     各种作物国际种质资源的收集,种质资源群体各类育种性状(产量、品质、抗生物逆境、耐非生物逆境、育性等)的全基因组遗传解析,每份资源的QTL/基因及其等位变异的全基因组构成分析。探索建立有效的遗传解析方法,用之于各类作物,并能由资源群体推及各育种计划育种群体每份材料的遗传构成。在此基础上实现育种的遗传设计,包括杂交组合最优设计和后裔的最优选择。从而进一步推进资源的研究与开发利用这项育种中最根本的工作。
2.3.4 性状基因体系的生态区特征
    各种作物各类性状的全基因组单一性状基因网络特征和综合性状基因网络特征的解析及其在不同生态区的共性与特异性解析,即性状的基因组学特征和生态特征的解析。这是实现上述资源研究目标的基础和前提。
2.3.5 育种现代化技术
    规模化育种的实施要求有从田间到实验室的系列机器、仪器和设备、设施,这是种业发展必须配套的条件建设。以高效的性状检测为例,现代的高光谱遥感技术可以利用飞行器在短时间大范围监测作物生长,高通量、快速反射数据与现代信息技术结合,在规模化育种中具有极大的潜力[26]。中国作物育种长期停留在手工劳动状态,没有形成相配合的机械、仪器、设备、设施的研发体系,进口的机器等不一定适合中国的试验环境。必须推动这方面的研究和开发。
2.3.6 育种信息技术
    要研究建立育种的信息化技术体系,乃至育繁推一体化的信息技术体系。商业化的规模育种要在季节容许范围内收集、记录、分析大量数据,不仅育种试验本身,还有大量试验点的数据收集、记录、分析与决策。因而高效的性状鉴定与数据采集技术,数据的传输、整理与分析技术,或简言之,育种信息技术将是未来规模化育种的重要技术。
2.3.7 标记辅助技术
    分子标记辅助育种单性状和综合性状技术方案的制定。包括高通量标记技术和高通量优化决策技术。标记辅助育种研究采取“简单性状的先用,复杂性状的试用”的原则,由简到繁、由浅到深。已有大量积累的作物性状QTL/基因定位结果,需要归纳、整合,梳理出可用的技术方案,在实际育种中试用、改进。同时要结合育种需求推动标记辅助育种实用技术的研究和应用。
2.3.8 转基因技术体系
    转基因技术在作物育种中具有明显的突破性潜力,可以突破本作物自然界没有的有利变异。转基因育种是常规育种的重要补充,是在老品种的遗传背景下导入全新的基因,使老品种产生突破性的改变。转基因是创新种质的手段,可以通过转基因技术创造大量新种质、新材料。当务之急,一是发掘出这类真有突破意义的基因,创造出大批育种可用的材料,使转基因育种进入一个实质性的制高点,现在是可用的基因太少了。二是必须严格保证其安全性。伦理上的转基因障碍只有从社会的意念上去解决,科学可以解决的是如何保证严格的安全性,例如,如果转入产品的基因最后全部删除,检测不到,也就谈不上后患了。这才能免除冗余的无休止的争议。更重要的是,要严格实施转基因的法律法规,切实防止转基因材料非法泄漏。
3 作物种子生产和示范推广科学技术的进展
    中国种业的历史较短,有关作物种子生产和示范推广科学技术的研究还在推动、起步阶段。规模化种业的产品是优良品种的种子,种子作为商品必须进行标准化生产,每一批种子应该都可以溯源,可以追查责任。所以种子生产的关键是建立标准化种子生产规范,以及研究实现或超越种子生产标准的先进技术[27]。商业化种业的产品销售自然有竞争,销售的竞争实质上是种业示范推广科学技术的竞争。
3.1 种子生产的标准化[28]
    种子生产标准化涉及以下各环节:
(1) 品种的标准化  需要对所生产种子的品种身份进行验证,生产种子所用的原始种子应该是育种家提供的育种家种子,以保证生产出符合该品种标准的种子。
(2) 种子生产程序和各个环节的标准化  种子生产程序必须标准化,国际一般都采用育种家种子、基础种子、注册种子和检定种子四级生产程序,国内河南省提出育种家种子、原原种、原种和检定种四级生产程序。种子生产田间为防止串粉必须设有隔离标准。各级种子生产过程中的操作步骤,包括收获、脱粒、烘干、清选、包装、标签、贮藏、运输等环节都必须设有标准操作程序。
(3) 种子质量的标准化  不同程序阶段所生产的种子质量必须设有相应的标准,标准的内容因作物而异,一般至少有净种子、杂质、其他作物种子量、其他类型种子、杂草种子量、有毒(有害)杂草种子量、发芽率、水分含量等。
(4) 种子质量检验技术的标准化  为保证种子质量标准的实现,种子质量检验技术也须建立标准方法。中国种业规范还在形成之中,目前河南省提出了一个省标准。全国的种子生产标准,国务院文件已提出需要研究,但还未见眉目,这应是种业发展的当务之急。国际发达国家均订有相应的种子生产标准,可以借鉴。但各国体制、环境不同,一个国家的种子生产标准应该建立在本国研究的基础上。以往中国对此缺少系统研究,现在应该加快推动中国各类作物种子生产标准的研究和制定。
3.2 种子生产的附加技术
    国际种业发展中,对种子质量的保证投入了大量研究。高档种子论粒销售的基础是种子生活力、发芽率的有效保证。这和种子收获、加工、储藏的技术密切相关。国际种业发展中结合种子出售还附加了有益于作物生长的农业技术,其中,首先是种子的处理和包衣技术,这些附加的苗期病虫害防治技术、微量肥料的添加技术、幼苗生长的壮苗技术增添了用户对种业公司产品的好感和信心[27]。目前,中国的种业公司在种子生产技术上还没有努力下功夫,今后的商业竞争机制可能会推动种子生产新技术的研发。相应地,种业的发展还需要以种业机械的配套发展为支撑。
3.3 作物种业示范推广的科学技术
    种业企业种子产品的销售竞争最终是品种水平和示范推广科学技术水平上的竞争。
3.3.1 明确销售品种的最佳适应区域
    种业企业育成或销售的品种,企业本身应十分熟悉其适应的地区范围,使企业的种子应用在最佳、最适应的地区,因而有最好的效果和最佳的信誉。所以种业企业应建立本企业的相当于区域试验的多点试验系统,明确所销售品种种子的适销范围和该品种种子的生产规模。
3.3.2 提供销售品种的最佳栽培技术
    种业企业应该有自己的栽培技术专家,品种育成前后对有苗头的品种研究制定适合该品种特点的栽培技术。销售品种种子的同时要向用户提供该品种应用的技术指导。品种种子和其栽培技术同时销售使用户得到的高产水平将为企业品种的水平增添信誉。
3.3.3 建立品种示范系统
    用户选用品种种子,常需有直观的判断。种子企业必须有示范试验供用户去观察、遴选。因而企业要在销售地区建立相对固定的示范点系统,让用户随时去评比,做出自己的判断。
3.3.4 种子售后服务
    种子售后的技术咨询服务和多媒体技术,是巩固企业信誉度的有效手段。中国的种业刚从公益性事业转成商业化体制,还没有进入常规秩序。一些不法企业套牌侵权、假冒伪劣种子混淆市场。国家已明确要采取措施,建立种子市场秩序行业评价机制,督促企业建立种子可追溯信息系统,完善全程可追溯管理,从而规范种子营销网络,保证企业公平竞争,保障用户权益。
4 中国种业科学技术发展展望
4.1  围绕种业发展的需求,建成相对完整的种业科学技术学科体系
    支撑种业战略性产业的科学技术应是一群而不是单一学科。因为种业的产品是品种和它的种子,作物育种学和种子学是其核心内涵,但不是种业科学的全部;遗传学和生理学又是核心内涵的基础,但不是育种学和种子学的全部;以此类推,分子遗传学目前是遗传学最为活跃的一部分,但不是遗传学的全部,更不是种业科学的全部。局部不能代表全部,因而种业科学要发掘它本身的全面内涵。中国商业化种业的实践还在起步阶段,种业科学的全面内涵还在形成之中。图1中的下游部分大致代表了种业科学技术的主体部分,中游和上游部分是以育种为主的构思,围绕种子生产、加工、检验和推广营销的相关学科内容以及有关种业的国内和国际法规等都还未包含在内。当然,这只是种业科学上下游领域初步构架,还有待进一步完善和深化。
    种业科学技术体系的建立要紧密联系种业生产实际,在种业发展中逐步积累、完善和发展种业科学体系。在此过程中,应该从国家的高度进行引导。围绕建立育繁推一体化的种业体系中心目标,着眼于育繁推各个环节,开展种业科学技术的设计和研发。管中窥豹,只见一斑是不能形成一体化的种业科学技术体系。
4.2 优化顶层设计,建设好企业种业科技和公益性种业科技两支相互补充、相互配合的种业科学技术研发力量
    中国种业商业化起步晚,种业科技力量正在形成,要建成育繁推一体化的种业科技体系,高水平专业技术队伍建设是关键。目前中国作物育种的基本队伍仍然是公益性占主导地位,在材料和技术上已有长期积累。要进一步落实好“鼓励‘育繁推一体化’种子企业整合现有育种力量和资源,充分利用公益性研究成果,按照市场化、产业化育种模式开展品种研发,逐步建立以企业为主体的商业化育种新机制”、“引导和积极推进科研院所和高等院校逐步退出商业化育种”等文件精神,要通过妥善的顶层设计,将两方面的种业科技力量协同起来,形成合力。
    顶层设计的一方面是种业企业要建立起强有力的研发队伍。这要在政策上推动企业建立有竞争力的育繁推一体化技术体系,要推动企业建立以领先技术参与种业竞争的基本理念。然后要推动培养种业的科技人才,以充实到种业企业中去。目前种业人才相当缺少。育繁推一体化的技术链主体是要能育种、能生产良种、能做田间示范的专家,品种的优劣只有在田间试验中才能检验,种业的专家,首先应该是田间试验的专家。但是目前高等学校培养的作物遗传育种专业学生,因为受发表高分数论文的驱使,基本以实验室工作和技能训练为主,缺乏田间育种等实际工作能力的训练。而且目前作物遗传育种专业的课程体系并不强调种子的生产与推广,缺少育繁推各环节及其一体化相关技术和能力的训练,所以国家应该推动农业高校适应种业发展的需要,建立种业科学技术新专业,尽快培养出在种业科技方面有开拓性的人才。根据中国目前的课程设置状况,要专门委托有关高校,建立种业的新课程并建立相应的实验实习基地和研发平台。图2为一个作物种业科学专业本科生或专业硕士生必须具备的科学知识设计。
    顶层设计的另一方面是要建立起推动公益性种业科技专家将知识和研究成果(包括育种材料和育种技术)在种业企业的育繁推一体化进程中及培育优良品种中发挥作用。这在全世界普遍承认知识产权的今天,关键是建立起合理的知识产权确认和转移的政策体系。这需要系统地研究和认证。偏颇的政策起不了实质性的作用。顶层设计的再一方面是国家在种业科技研发上的高瞻远瞩,围绕种业育繁推各环节、各方面全程设置相互衔接、相互推动的导向性研究计划。当前种业发展方兴未艾的时候,国家要投入力量来研究和制定各类各种作物的种子质量标准,通过标准来规范后续种业的健康发展。在推动种业科技研发和规范种业标准的前提下,进一步建设好企业和公益性两支有分工、有合作的种业科技队伍。
4.3  发展中国种业科学技术的策略和建议
    前文已列述一些需优先解决的作物育种理论和技术问题,此处再就其实现的必要性和策略提出建议。
4.3.1 规模化育种技术
    中国种业企业首要是建立起育繁推一体化的研发体系,真正依靠科技立业。收购上家品种、销售种子算不上科技型种子企业。这类企业并无竞争潜力,不是国家要支持的种业企业。已建有育繁推研发体系的种业,面临的就是快速发展规模化育种技术的命题。先锋公司每年测试上百万个杂交组合,只有十万分之一被选中商业化。如此大规模的育种体系如果没有标准化的操作技术和育种程序作为支撑,是不可能领先世界的。因此,规模化、程序化和标准化是现代商业育种的重要标志。规模化育种技术的内涵涉及田间试验规模化、试验操作机械化、鉴定技术现代化、数据采集信息化、试验布局区域化、良种决选全局化、育繁推一体化等。
4.3.2 资源富集、遗传解析与创新
    种业的基础是育种材料,育种材料衍生自种质资源,种业企业必须掌握的财富是种质资源和优异素材。种质资源是国家的财富,国家种质资源库应该是种业原材料的第一源泉,公益性育种应该是种业原材料的第二源泉。国家要鼓励、支持种业企业收集全世界的有用资源。关键是严格检验和检疫手续。目前海关的管理措施滞后于国家种业发展的需求。种质资源库中的有用基因有待深入发掘。国家要组织力量对资源库的种质按育种性状进行遗传解析,明确各性状群体的遗传组成和个体的遗传组成,即QTL/基因及其等位变异的组成。图3大致归纳了各类作物的性状类别,对于种质群体的遗传解析要落实到每个性状[29]。穷尽资源群体遗传解析的数据库就可借以推测到种业企业育种材料的遗传结构,为种业企业的设计育种奠定基础。现有的分子技术已经为种质资源的遗传解析提供了有效手段,关键在于国家对相关科研工作的组织和安排。作为种业原材料第二源泉的公益性育种,应该明确以创造突破性材料和创新育种技术为主要任务,使他们的工作成就惠及全国的种业,并以此为荣。国家和社会要建立起知识产权权益和荣誉的分配机制。种业企业的育种特色就体现在本企业特有的创新种质和材料上,这是种业原材料的第三源泉,也应该是最活跃的创新源泉。未来中国的种业企业间的竞争若能达到这个境界,中国的种业发展水平也就达到国际化了。
4.3.3 推动常规育种分子辅助技术的应用
    新品种来自老品种,基本上继承了老品种的遗传体系,但在继承中有创新,通过重组、诱变、渗入等途径吸收了新基因。育种的大量工作是要鉴别出哪些新基因纳入了正在创造的品种,基因看不见,因而发明了许多办法可以从表型判断新基因的存在。发展了30多年的分子标记技术,从可见的分子标记去判别正在创造的品种中新基因的存在,称为标记辅助育种,包括标记辅助优化组合和标记辅助后裔选择。迄今为止,报道了数以万计的QTL和基因定位、标记辅助育种的文章,也已有数以万计的硕士博士得到学位,但是在种业企业和公益性的实际育种中鲜见标记辅助育种的成效。究其原因,关键在于通向实际育种的最后一公里没有走好。要为育种或性状的改良提出标记辅助的实际方案,而且有实践检验结果的证实。因而,国家和社会要推动研究标记辅助育种的实际应用技术和方案。传统育种是基本的,要赋予传统育种以推陈出新的技术。
4.3.4 品种区域适应性试验制度与品种审定制度的完善
    国务院文件指出:“积极推进构建一批种子产业技术创新战略联盟,为有实力的“育繁推一体化”种子企业建立品种审定绿色通道”。品种的审定取决于区域试验的结果。目前中国现行的区域试验和审定制度存在一些矛盾:一个种业企业选育的新品种在本企业要经过若干年的产量试验,交出参加区域试验又要经过若干年的区域试验,国家区域试验的点数和环境数有限,虽然经过多年试验,但经历的考核并不充分。而国际上跨国公司在全球近百个国家建立育种研发中心或试验站,如孟山都全球育种试验站有180多个,先锋公司有126个,并以这些研发中心为依托,广泛布局试验点,开展大规模育种材料筛选和品种适应性试验。每个杂交组合在商业化推广前至少经过150多个试验点和200多个不同地区农民的种植测试评价,确保适合当地种植。参考国际公司的经验,国务院提出的为“有实力的‘育繁推一体化’种子企业建立品种审定绿色通道”的意见是有可能实现的。条件是种业企业要承担品种的全部责任;要建立起如跨国种业公司那样的内部试验体系;再加上要推动保险业为种业企业建立种子保险业务的体系,平衡企业的风险,保障用户的权益。
4.3.5 配齐种业基础性公益性研究,确立种子生产标准化体系
    种业基础性公益性研究除上述种质创新和育种技术创新等以外,还必须在育种过程、种子生产和种子推广的设备、设施方面配以基础性、公益性的科学技术研发,从而提高育繁推一体化的水平。当前首先要在确立种子生产标准化体系的基础上,研发种子生产各环节的设备和设施,以全面提高种子的质量。进一步还必须着手多功能的种子处理和包衣技术,并将现代栽培技术融于种业之中。
4.3.6 加强作物杂优化研发,使杂种化成为中国未来种业的特色
    比起家系品种,杂种品种可以同时利用杂合位点的显性效应和纯合位点的加性效应,理论上有独特的优势。20世纪初,杂交育种及杂种优势利用成功应用于农作物育种,利用杂种优势有效地提高了作物的产量、抗病、抗逆和适应性水平。杂种品种还能更有效地保护品种权益。中国的水稻、玉米、油菜和主要瓜菜作物品种已经实现了杂种化,还有一些作物,如小米、棉花、小麦、大豆等已经研发了雄性不育、三系(或二系)配套的技术体系,正在向杂种应用发展,建议中国加强作物全面杂优化的研发,使杂种化种业成为中国种业的特色。
参考文献
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