“一票否決”，品種審定的“鐵門(mén)檻”讓水稻種企對(duì)如何提高稻瘟病抗性格外關(guān)注。
然而，篩選抗稻瘟病基因，受到環(huán)境條件的限制。雖然水稻從抽穗到成熟，都易發(fā)稻瘟病，但要發(fā)病，易感品種和低溫連陰天缺一不可，因此在自然種植條件下，稻瘟病并不會(huì)年年重發(fā)，要驗(yàn)證材料的抗病性，往往需要人工接種病菌，工作量很大，成本也很高。
同時(shí)，引起稻瘟病的生理小種又是不斷變化的。就像流感病毒一樣，前兩年有效的流感疫苗今年就可能不管用了，所以選育抗稻瘟病的品種就如同和病菌變種進(jìn)行一場(chǎng)你追我趕的“持久性賽跑”。
有沒(méi)有一種辦法，能夠加快篩選速度，獲得市場(chǎng)所需的育種材料來(lái)定向改良品種呢？答案就是分子育種。為什么是分子育種？分子育種是怎樣加快篩選速度的？為了尋找問(wèn)題的答案，記者來(lái)到了我國(guó)兩大農(nóng)作物分子育種平臺(tái)之一的華智水稻生物技術(shù)有限公司。
什么是分子育種？
——分子育種和常規(guī)育種就像西醫(yī)和中醫(yī)，必須中西醫(yī)結(jié)合，才能取得高效益的理想效果
要知道分子育種為什么能幫助育種家跑得更快，首先需要了解什么是分子育種。
“如果說(shuō)常規(guī)育種是看中醫(yī)、看表型，分子育種就類似西醫(yī)拍的一張張X光片，看品種內(nèi)部的各種基因型。”華智總經(jīng)理張健解釋說(shuō)，有經(jīng)驗(yàn)的老中醫(yī)拍拍背，可以憑經(jīng)驗(yàn)猜出來(lái)肺部有沒(méi)有鈣點(diǎn)，但沒(méi)有百分之百的把握；分子育種技術(shù)類似能給醫(yī)生提供一個(gè)X光片，有沒(méi)有鈣點(diǎn)一目了然。當(dāng)然，分子育種也有誤差，但這種誤差跟沒(méi)有X光片時(shí)的判斷相比，精準(zhǔn)度高很多。
在張健看來(lái)，常規(guī)育種憑經(jīng)驗(yàn)選育的過(guò)程就像一個(gè)“黑匣子”，肉眼只能區(qū)分抗病和感病，并不知道種子所具有的基因型是什么，更看不出抗病材料是雜合抗病還是純合抗病，而純合抗病材料才是育種家能夠利用的育種材料。分子育種能夠幫助育種家打開(kāi)并解讀這只“黑匣子”，區(qū)分哪些是純合抗病材料，哪些是雜合抗病材料，利用純合抗病材料來(lái)加快育種進(jìn)程。
打開(kāi)“黑匣子”，對(duì)育種效率與效益的提升主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是縮短育種時(shí)間。用常規(guī)育種手段定向改良一個(gè)農(nóng)藝性狀，需要回交6代才能得到理想的植株，一般需要5年~6年時(shí)間，而利用分子育種技術(shù)，通過(guò)早期的基因型選擇，只需要3年左右，育種時(shí)間可以縮短一半。二是降低田間測(cè)試材料數(shù)量。假設(shè)有2個(gè)抗病材料，傳統(tǒng)育種方法需要足夠大的回交群體才可能獲得想要的材料，但分子育種技術(shù)可以通過(guò)基因型分型篩選，先把含有抗病基因的材料篩選出來(lái)，這樣就可以節(jié)省很多耕地。
“分子育種只需要一片水稻葉子，就能在基因型水平上診斷這種材料抗病不抗病，是純合抗病還是雜合抗病，但選擇的材料好不好，最終還是要到大田里看效果。”張健說(shuō)，分子育種和常規(guī)育種一樣，都是一種技術(shù)手段，分子育種要用得好，取得好效果，必須和其他技術(shù)手段結(jié)合起來(lái)。分子標(biāo)記、生物信息、種質(zhì)創(chuàng)新、大田測(cè)試就像一張桌子的四條腿，多功能研發(fā)部門(mén)綜合在一起才能形成高效的分子育種大平臺(tái)。
隨著種植方式的轉(zhuǎn)變和消費(fèi)水平的提高，水稻育種的目標(biāo)正在從單純的高產(chǎn)向高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、多抗廣適、品質(zhì)優(yōu)良、資源節(jié)約、環(huán)境友好、高效益等多重目標(biāo)轉(zhuǎn)變。“沒(méi)有最好的品種，只有最適合的品種。”張健說(shuō)，育種就是要根據(jù)不同區(qū)域的水土光溫條件，篩選出最優(yōu)的基因組合，而分子育種能夠快速鎖定并聚合高產(chǎn)、多抗、口感好等優(yōu)良性狀的相關(guān)基因，既能幫育種家快速培養(yǎng)出“三好生”，也可以幫育種家培養(yǎng)更多適合不同區(qū)域的“特長(zhǎng)生”。
“X光片”如何“拍”出？
——水稻的12對(duì)染色體就像12條高速公路，分子標(biāo)記就像設(shè)在高速公路上的路標(biāo)
華智承擔(dān)著建設(shè)農(nóng)業(yè)部國(guó)家水稻分子育種大平臺(tái)的重任。進(jìn)入華智第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，在10多平方米的空間里，3臺(tái)巨大的黑色儀器呈“L”型擺開(kāi)。“這是剛到位的道格拉斯陣列式分析卷帶（DouglasArrayTape）高通量SNP檢測(cè)平臺(tái)，目前是全球通量最高的基因分型平臺(tái)。”張健介紹說(shuō)。
什么是通量？高通量意味著什么？“通量表示物質(zhì)分子移動(dòng)量的大小，通量越高則單位時(shí)間內(nèi)完成的測(cè)試量越大。”張健解釋說(shuō)，“只有通量上去了，研發(fā)成本才能降下來(lái)。”
據(jù)了解，人工操作，一天一個(gè)人最多能做幾百個(gè)SNP測(cè)試，而用這套設(shè)備，每天可以做23萬(wàn)個(gè)SNP測(cè)試，相當(dāng)于2400臺(tái)普通96孔的PCR儀同時(shí)開(kāi)動(dòng)。目前，設(shè)備已經(jīng)調(diào)試完畢，為了盡快投入商業(yè)化使用，華智正加緊開(kāi)發(fā)水稻全基因組分子標(biāo)記，今年的目標(biāo)是做出2000個(gè)分子標(biāo)記來(lái)。
什么是分子標(biāo)記？分子標(biāo)記有什么用？“分子標(biāo)記是可遺傳、可檢測(cè)的DNA序列，相當(dāng)于高速公路的路標(biāo)。”張健解釋道，如果把一條染色體比作一條高速公路，基因測(cè)序相當(dāng)于建高速公路，分子標(biāo)記就像是在高速公路上設(shè)路標(biāo)。分子標(biāo)記越多，路標(biāo)越精確，定位的精度也越高。有了大量的路標(biāo)，就可以像GPS一樣精準(zhǔn)定位，快速鎖定要找的基因。
水稻有12條染色體，每一條染色體上有大量DNA，但并不是每個(gè)DNA都能成為標(biāo)記，分子標(biāo)記要發(fā)揮作用，關(guān)鍵在于找到那些通過(guò)實(shí)驗(yàn)室與大田驗(yàn)證，與高產(chǎn)、抗病或是抗倒伏直接相關(guān)的DNA序列，并把這些DNA分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)出來(lái)。
標(biāo)記的方式很重要。“分子標(biāo)記需要檢測(cè)手段簡(jiǎn)單、快速、容易自動(dòng)化，同時(shí)成本低、重復(fù)性好。”張健告訴記者，單個(gè)核苷酸的改變，就能體現(xiàn)出DNA序列的變化，因此單核苷酸多態(tài)性（SNP）檢測(cè)是目前最準(zhǔn)確、最快速也最適于自動(dòng)化操作的分子標(biāo)記手段。
分子標(biāo)記一旦驗(yàn)證完畢，對(duì)相應(yīng)基因的搜索就變得如探囊中之物一般便利。“利用道格拉斯高通量SNP檢測(cè)設(shè)備，2天~3天就能得出精確的檢測(cè)結(jié)果。”張健給記者展示了一組品種純度和真實(shí)性鑒定的結(jié)果，由于單個(gè)SNP被開(kāi)發(fā)成能用熒光檢測(cè)的PCR產(chǎn)物，檢測(cè)結(jié)果在電腦屏幕上呈現(xiàn)出不同的顏色——基因型相同的顏色相同，基因型不同的顏色不同。是不是一個(gè)品種，品種純度高不高，就像“X光片”一樣一目了然。
分子育種平臺(tái)改變什么？
——種業(yè)研發(fā)缺乏轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)，分子育種平臺(tái)就是要將“沉睡”的資源喚醒盤(pán)活
目前，SNP分子標(biāo)記等分子育種技術(shù)已成為跨國(guó)種業(yè)巨頭加快培育新品種的一種利器。孟山都、杜邦先鋒均有多套道格拉斯高通量SNP檢測(cè)設(shè)備。如果國(guó)內(nèi)種業(yè)僅用常規(guī)育種手段來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，則無(wú)異于坐著牛車和汽車賽跑。
然而，一套道格拉斯高通量SNP檢測(cè)平臺(tái)，即使不算耗材和人工成本，也需要上千萬(wàn)元，對(duì)于每年研發(fā)投入至多幾千萬(wàn)元的國(guó)內(nèi)種企來(lái)說(shuō)，單槍匹馬做分子育種既不實(shí)際也不實(shí)惠。為了解決單個(gè)企業(yè)做分子育種既“吃不起”也“吃不飽”的兩難困境，實(shí)現(xiàn)“同乘一輛車，各買(mǎi)一張票”，在農(nóng)業(yè)部推動(dòng)下，華智和中玉金標(biāo)記兩大分子育種平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。
“和普通的種業(yè)企業(yè)不同，我們不會(huì)把研發(fā)的種子直接賣給農(nóng)民。”張健說(shuō)，“兩大分子育種平臺(tái)定位于專業(yè)化高科技種業(yè)服務(wù)公司，主要任務(wù)就是為商業(yè)化育種單位提供分子育種服務(wù)。”
他介紹說(shuō)，科研院所的研究人員克隆一個(gè)基因就可以發(fā)表論文，但要將此基因應(yīng)用到育種生產(chǎn)上，還缺乏一個(gè)技術(shù)開(kāi)發(fā)與成果轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)，分子育種平臺(tái)就是要為基礎(chǔ)理論成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化鋪路搭橋，因此不僅要在實(shí)驗(yàn)室和大田條件下驗(yàn)證基因的優(yōu)劣，而且要將優(yōu)良基因?qū)氲缴虡I(yè)化育種材料中，創(chuàng)造新的種質(zhì)資源，幫助“沉睡”的基因或資源變成商業(yè)化育種中真正有價(jià)值的材料。
在國(guó)外開(kāi)發(fā)1個(gè)轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品需要1.36億美元，其中早期研發(fā)的投入約占23%，中期驗(yàn)證占51%，后期推廣、法規(guī)等方面投入占26%左右，中間驗(yàn)證及產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)的費(fèi)用要比早期研發(fā)高很多。而在國(guó)內(nèi)，分子育種技術(shù)的研究還停留在早期概念階段，由于缺少成果驗(yàn)證與產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，不少基因材料只能停留在實(shí)驗(yàn)室的抽屜里，這也導(dǎo)致種質(zhì)創(chuàng)新停滯不前，進(jìn)而制約了突破性大品種的選育。
解決科研成果轉(zhuǎn)化難，必須理順?lè)止ぁ?ldquo;科研院所是上游，提供基因材料；分子育種平臺(tái)是中游，專注技術(shù)的集成和開(kāi)發(fā)；種業(yè)企業(yè)是下游，開(kāi)展商業(yè)化育種和推廣。”張健說(shuō)，科研院所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)抗病基因，但只有一個(gè)抗病基因的材料不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，這就需要對(duì)不同抗原、不同抗性位點(diǎn)的材料進(jìn)行驗(yàn)證、集成和資源創(chuàng)新，然后將多抗的材料提供給下游公司。
張健認(rèn)為，專業(yè)化種業(yè)技術(shù)服務(wù)公司的壯大，將從根本上改變種業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)交易的游戲規(guī)則——利用DNA指紋圖譜給每個(gè)品種建立“身份證”，利用商業(yè)化合同明確規(guī)范產(chǎn)業(yè)鏈利益的分成機(jī)制，能有效遏制“偷材料”等市場(chǎng)亂象發(fā)生。“市場(chǎng)的整體運(yùn)作規(guī)范了，就能夠促進(jìn)種業(yè)向更好的方向發(fā)展，農(nóng)民就能用上更好的品種。”他說(shuō)。
