水稻分子模块设计研究成果与展望

中国网/中国发展门户网讯 中国古代综合性的科学技术著作《天工开物》（1637 年）中所述的“天下育民人者，稻居什七”，说明千百年来，稻米一直是中国人的主粮。禾谷类作物栽培在我国已有 8 000 多年历史，相关的育种知识和技术在全球产生了重要影响。

早期的农业实践主要通过驯化选育农家品种，20 世纪以来，科学知识快速积累，学科发展推动了育种理论与技术创新：20 世纪初期的孟德尔遗传学推动了遗传育种（杂交育种）技术和理论发展；20 世纪 50 年代基于 DNA 双螺旋结构确立的分子生物学奠定了分子育种（包括后期的转基因技术）的基础；20 世纪 90 年代基因组学的发展使设计育种成为可能。

我国是世界上较早启动植物基因组学研究的国家之一。1998 年作为主要发起国之一，我国参与了“国际水稻基因组测序计划”；1999 年以来，在科技部资助的“水稻功能基因组”研究项目中，我国科学家在遗传材料技术方法、技术路线及简单性状遗传解析研究方面取得了重要的进展；2004 年完成了粳稻“日本晴”第 4 号染色体精准测序，并开展了一系列比较基因组研究；2000 年启动了“超级杂交稻基因组计划”，2002 年首次完成了超级杂交稻亲本籼稻品种“93-11”的全基因组草图，2005 年完成了其精准测序，这些研究开创了以水稻为模式作物解析复杂性状调控网络的新领域。

在后基因组时代，如何充分利用基因组信息，结合系统生物学和合成生物学知识，筛选、模拟和优化生物育种元件，提出最佳的符合育种目标的基因型以及实现目标基因型的构建，以提高育种的预见性和育种效率，实现定向、高效的“精确育种”即设计育种，是生物育种面临的重要挑战。现有的研究显示高产、稳产、优质、高效等复杂性状受多基因调控，复杂性状的基因调控网络具有“模块化”特性，基于此，中国科学院农业领域的科学家提出了“分子模块”概念和“分子模块设计育种创新体系”理论。“分子模块”是指控制复杂性状的主效基因或多基因网络、并可进行遗传操作的功能单元。“分子模块设计育种创新体系”包括：①解析分子模块，编撰对设计育种有指导意义的分子模块辞海；②阐明分子模块的耦合效应；③建立“全基因组导航”分子模块设计育种技术等。

2013 年中国科学院启动的战略性先导科技专项（A 类）“分子模块设计育种创新体系”以水稻为抓手，通过高产、稳产、优质、高效等复杂性状的分子模块解析，探索建立分子模块设计育种技术体系，以带动小麦、大豆、鱼类等动植物复杂性状的解析和设计育种技术的发展。经过近 5 年努力，取得了一批有重要育种价值的分子模块和有重要国际影响力的成果，发挥了中国科学院在水稻等作物基础研究和技术创新等领域的引领作用，将水稻等作物复杂性状和基因组等研究推向新高度。2017 年 2 月 Nature Plants发表的《中国的复兴》专评认为，中国科学家在水稻重要农艺性状基因解析方面取得了国际一流成果，已经引领国际水稻乃至作物生物学、遗传学和基因组学研究。