创新分子育种科技支撑我国种业发展

分子模块设计育种科技体系

分子模块是功能基因及其调控网络的可遗传操作的功能单元。由于复杂性状是基因与基因、基因与环境互作的产物，多数农艺（经济）性状受多基因调控，并具有“模块化”特性。因此，需综合运用分子生物学、基因组学和系统生物学等前沿生物学研究的最新成果，对控制生物复杂性状的分子模块进行功能研究；采用计算生物学和合成生物学等手段将这些模块有机耦合，开展理论模拟和功能预测，系统地发掘分子模块互作对复杂性状的综合调控潜力；实现模块耦合与遗传背景及区域环境三者的有机协调统一，发挥分子模块群对复杂性状最佳的非线性叠加效应，有效实现复杂性状的定向改良（图 1）。因而，分子模块育种是一项前瞻性、战略性研究，是生命科学前沿科学问题与育种实践的有机结合，是引领未来生物技术发展的新方向。

为此，2013 年 11月，中国科学院布局了战略性先导科技专项（A类）“分子模块设计育种创新体系”。专项整合了农业生物学和育种研究的优势力量，共设置 4 个项目、12 个课题、64 个子课题和 144 个任务专题，队伍总规模为 2 100 余人。专项以水稻育种为主，小麦、鲤鱼等育种为辅，利用野生品种、农家品种、主栽（养）品种以及优良种质资源，解析高产、稳产、优质、高效等重要农艺（经济）性状的分子模块，揭示分子模块系统解析和耦合规律，优化多模块组装品种设计的最佳策略，建立从“分子模块”到“品种设计”的现代生物技术育种创新体系，培育新型的超级农业生物新品种，从整体上推动我国生物育种技术的健康、快速发展，以满足我国乃至世界农业发展的重大需求。

专项实施 5 年来，已初步建立从“分子模块”到“品种设计”的现代生物技术育种创新体系，是颠覆传统育种技术的大胆实践和成功探索。

模块育种理论和技术创新方面。水稻耐寒分子模块 COLD1 的深度解析阐明了作物感知低温分子的机制，研究成果在 Cell 上以封面论文形式发表；水稻杂种优势的遗传机制研究成果有望将每一代杂交育种的时间从 8 年缩短至 3—5 年，并在 Nature 上发表；水稻广谱和持久抗稻瘟病模块 Pigm 深度解析研究成果在 Science 上发表，揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制，已被广泛应用于抗病分子育种并大面积推广。

模块育种实践方面。已解析获得有重要应用价值的分子模块 67 个、分子模块系统 43 个；已审定水稻、大豆、小麦和高产银鲫新品种 15 个，其中国审品种 5 个；获得生产试验新品系 16 个，区试品系 65 个，预试品系 118 个。在长江中下游和黄淮稻区，“嘉优中科”1、2、3 号以及“中禾优 1 号”“中科盐 1 号”等模块新品种实现了水稻超高产、品质改良和抗性提升的完美结合（图 2）。在东北稻区，国审品种“中科 804”在我国东北第一积温带和西北地区具有重大的推广潜力（图 3）；以“空育 131”为底盘育成的具有抗稻瘟病、耐冷、早熟及米香特性的水稻多模块耦合新品种“中科 902”，有望解决当前黑龙江建三江地区 3 500 万亩水稻抗病性退化和米质下降的瓶颈问题。国审品种“异育银鲫中科 5 号”具有生长速度快（生长速度提高 18.20%）、抗病性强（发病成活率提高 13%）、鱼刺少（肌间骨总数下降 9%）等优点，有望在未来 3 年实现品种更新。

依托专项的重大成果，在首席科学家薛勇彪研究员的指导下，专项总体办在《中国科学院院刊》组织了包含 8 篇论文的专辑，从水稻、小麦、大豆、玉米、鱼类等方面的育种成果对专项进行了概述，并介绍了作物表型检测、种子切片等国内自主研发的分子育种相关设备，旨在展示我国在现代育种理论研究方面走在世界前列的成果、追赶世界先进水平的技术应用，以及“分子模块设计育种”对指导未来作物遗传改良的重大战略意义。