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2022 06/ 20 07:28:39
來源:經濟日報

有序推進生物育種産業化應用

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  種子是農業的“晶片”,種業技術的進步,是農業發展的基礎,也是保障14億人糧食安全的重要前提。《“十四五”推進農業農村現代化規劃》提出,加快實施農業生物育種重大科技項目,有序推進生物育種産業化應用。國家發展改革委印發的《“十四五”生物經濟發展規劃》中也將現代種業提升工程列為生物經濟七大工程之一。本期邀請幾位專家圍繞生物育種進行研討。

  主持人:經濟日報社理論部主任、研究員 徐向梅

  保障“中國糧”主要用“中國種”

  主持人:我國生物育種發展現狀如何?存在哪些優勢與不足?

  姚穎垠(中國農業大學農學院教授):糧食安全是“國之大者”,培育優良品種是保障國家糧食安全的根本途徑。國際上將育種發展分為4個典型階段:育種1.0時代人類馴化了大量野生植物進入農耕文明;育種2.0時代育種家主要依賴經驗並把統計學、數量遺傳學和雜交育種策略應用到優良品種選育中;育種3.0時代先進的生物技術包括分子標記輔助選擇、基因工程在育種中廣泛應用;隨著人工智慧、基因編輯、合成生物學等學科發展,育種進入由前沿科學技術引領的“生物技術+信息技術+人工智慧”育種4.0時代。

  傳統常規育種大多依賴育種家經驗,育種效率低、精準度差、育種周期長。生物育種基于遺傳學、分子生物學、基因組學、計算生物學和係統生物學理論,依賴先進生物技術,與生命科學基礎研究密不可分,將成為支撐未來現代種業長足發展的決定力量。

  黨的十八大以來,我國種業發展取得巨大成就。全國審定的主要農作物品種數目顯著增加,主要糧食作物良種覆蓋率超過96%,品種對單産貢獻率提高到45%,為保障我國糧食安全和重要農産品穩定供給發揮重要作用。種業跨越式發展背後的巨大支撐力量是種業科技創新,尤其是依賴先進生物技術的生物育種得到飛速發展。

  生物育種領域基礎研究不斷創新和突破。我國收集保存了豐富的作物地方品種、野生種和野生近緣種,目前保存超過52萬份農作物種質資源,數量躍居世界第二,這些資源是開展生物育種基礎研究、重要基因挖掘、優良品種培育的重要材料和寶貴財富。利用這些資源,我國科學家從基因組學、遺傳學、分子生物學等層面圍繞國際前沿科學問題開展大量開創性、係統性研究,取得突破性進展。在國際上率先構建水稻全基因組序列框架圖,克隆了一批調控株型、氮高效利用、耐低溫、抗旱、耐鹽鹼、抗病、新型抗除草劑等具有重大育種價值的新基因,並在育種中逐步加以利用。山東農業大學孔令讓教授團隊、南京農業大學馬正強教授團隊克隆了小麥抗赤霉病關鍵基因,為攻克小麥癌症赤霉病提供重要基因資源。

  先進生物育種技術持續迭代升級,正在成為推動我國現代種業跨越式發展的強大驅動力。分子設計育種、基因編輯、單倍體育種、轉基因技術、生物工程等技術不斷創新並取得顛覆性突破,這些技術在農作物育種中逐步應用,顯著提高育種效率。中國農業科學院深圳農業基因組研究所黃三文團隊應用“基因組設計”理論和方法體係培育雜交馬鈴薯,用二倍體替代四倍體,用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖,有望顛覆創新馬鈴薯産業生産方式。中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊提出快速從頭馴化的新策略,通過基因組設計和基因編輯將多倍體野生水稻快速馴化成農藝性狀優良的新型多倍體水稻,大幅提升産量和環境變化適應性,為從頭馴化其他野生和半野生植物創制新型作物提供重要參考,開辟了培育高産廣適新型作物的新途徑。

  利用先進生物育種技術與常規育種相結合,培育和推廣了一批突破性優良品種,保障“中國糧”主要用“中國種”。新中國成立以來,主要農作物育種已實現5至6次新品種更新換代,“十三五”期間審定主要農作物品種1.68萬個,比“十二五”期間增加一倍多。近年來,在精品優質水稻、高産優質小麥、高産機收玉米等農作物新品種方面取得突破性進展。堅持“形態改良與雜種優勢利用相結合”育種理念,雜交水稻品種産量潛力不斷提升,以晶兩優華佔、晶兩優534、隆兩優華佔等為代表的超高産雜交水稻,在大面積推廣過程中對農民增産增收和國家糧食安全作出突出貢獻。水稻分子模組設計育種技術方面的研究引領國際育種發展方向,李家洋院士團隊運用分子設計育種技術,將控制粒型、抗稻瘟病、優異稻米品質、抗倒伏等分子模組進行耦合,經過精準定向設計培育出標誌性水稻品種“中科804”。

  我國種業企業研發投入持續加大、競爭力顯著提升。國家級“種業航母”各係統初步形成規模,生物種業規模和整體競爭力明顯提升。我國農作物和畜禽種業市場接近6000億元,成為全球最大種業市場。據《2021年中國農作物種業發展報告》統計,2020年我國有種子企業6118家,資産總額2425.21億元,資産總額1億元以上的432家,其中10億元以上企業27家,實現種子銷售收入777.10億元,利潤69.57億元。過去幾年,以先正達、隆平高科等為代表的中國種子企業,在國際種業市場上嶄露頭角,影響力與日俱增,隆平高科于2017年躋身全球種業前十強,通過內生增長和外延並購雙輪驅動,已初具中國種業航母雛形。

  我國生物種業科技不斷創新,科技基礎和科研力量日益雄厚,但也存在一些問題。

  一是生物育種重大原創性基礎理論研究不夠深入,獨立原創探索性研究較少,尤其是有重大育種利用價值的關鍵基因和分子模組匱乏。

  二是與國際種業科技創新水準相比,我國生物育種關鍵技術原始創新落後,核心環節技術掌握不夠,研究力量分散,還沒有形成合力。

  三是種業企業科技研發投入不足,前50強的種業企業年研發投入約13億元人民幣,遠不及美國孟山都、德國拜耳公司一個公司同期投入規模。

  四是具有自主智慧財産權的轉基因生物育種、基因編輯育種等相關成果産業化亟待突破,隨著國家對轉基因生物育種産業化應用政策逐漸放開,生物育種産業化將迎來重大利好。國際生物育種産業市場已經向少數大企業集中,規模化、集團化和全球化成為生物育種發展大趨勢。我們要抓住機遇,建立貫穿基礎研究、技術攻關、産品創制、示范推廣等全産業鏈成套創新體係,快速推進生物育種産業化,實現生物種業跨越式發展。

  生物技術引領種業顛覆式創新

  主持人:請分享企業在生物育種産業方面的探索實踐和成功經驗。

  呂玉平【糧油作物生物育種“晶片”研發專家、隆平生物技術(海南)有限公司總經理】:打贏種業翻身仗需要兼顧研發和産業化,特別是要有市場競爭力的産品。基于這個理念,隆平生物技術(海南)有限公司于2019年成立,開始進行主要糧油作物生物育種關鍵“晶片”技術研發。

  從國際種業發展規律和趨勢看,國際一流種業研發正由分子育種3.0時代進入智能設計育種4.0時代。以轉基因、基因編輯、分子標記為代表的生物育種技術正對種業産生顛覆性創新。國際種業巨頭孟山都(2018年被拜耳以630億美元收購)從上世紀80年代開始研發轉基因技術,後通過技術引領和持續並購擴張,累計並購350家不同類型種子公司,由一家化學品公司一躍成為國際種業巨頭並始終保持領先地位。

  縱觀孟山都的發展史,生物技術是最核心的成功要素。當前,種業轉基因商業化大幕即將開啟,以轉基因為代表的生物技術將為我國種業帶來根本性變化。孟山都30多年依托轉基因生物技術的種業商業化之路為我國種業提供了有益借鑒。

  生物技術具有技術壁壘高、研發投入大、開發周期長等特點,因此研發難度比較大。隆平生物從事的是糧食作物玉米、大豆種子精準育種和性狀改良的研發,其中抗蟲抗除草劑轉基因“晶片”技術是目前我國種業的“卡脖子”環節。2021年我國進口玉米近3000萬噸,如果按平均單産不足500公斤計算,需要6000多萬畝土地。而大豆進口更多,近1億噸,業內專家表示,若生産這個體量的大豆需要7.9億畝耕地。參考人多地少、耕地資源稀缺的現狀,依靠擴大種植面積達到供給是一件不可能的事。玉米雖然已不作為主糧供百姓食用,但卻關乎所有百姓的飯碗。玉米號稱“飼料之王”,我國玉米60%用于飼料,40%用于工業。而在飼料中,玉米佔比達到60%,是養殖業重要的能量飼料原料。如果飼料不夠將直接影響豬、雞等養殖業産量和産品價格。雖然我國是玉米生産大國,但是平均畝産只相當于美國的50%至60%,還需要大量進口。提高玉米自給率,必須依靠提高畝産,其中最重要的是發揮良種作用。通過生物技術培育高産、優質、多抗品種是必由之路。

  我國生物育種産業化研究只有10多年,而美國已有50多年。目前的主流技術是將1個基因或2個基因放到一個載體上再進行轉化。而隆平生物在007生物育種“晶片”技術立項並進行産品設計時,就定位在“人無我有、人有我優”的高起點上,顛覆式創新、大跨度的差異化才能有突破、有市場、有後發優勢。

  在玉米産品研發方面,隆平007“晶片”含有3個抗蟲基因和1個抗除草劑基因,市場前景廣闊。改良品種能夠有效抵抗近10種害蟲,玉米産量提高15%以上。在玉米生長過程中,基本不用農藥,農民每畝地至少增收200元。

  憑借國際領先水準的玉米生物育種技術,短短3年多時間,這支具備很強科研能力的團隊,成為海南玉米生物技術研發和産業化的強勁助力,對打造國家重點産業園區——崖州科技城“生物種業南繁硅谷”有示范效應。目前已研發出多個抗性優良産品,獲得10余項國家發明專利授權。

  當前海南省崖州灣種子實驗室建設進展順利,將成為我國生物育種研發新高地。隆平生物將繼續以生物技術引領種業核心技術創新,以市場化産品研發拉動種業産業鏈升級,走出一條有中國特色的生物種業創新發展之路。

  智慧育種將成種業核心競爭力

  主持人:如何加強生物育種與信息技術結合,加快智慧育種?

  錢前(中國科學院院士、中國農業科學院作物科學研究所所長):目前,全球種業發展進入空前密集創新和産業變革時期,作物育種正迎來以基因編輯、新一代測序等新型生物技術,與圖像識別、機器學習等信息技術融合的“生物技術+人工智慧+大數據”智能化時代。智慧育種是科技發展帶來的新機遇,預計在未來10年至20年,智慧育種發展快慢勢必成為種業核心價值和競爭力的關鍵,由傳統育種到分子育種再到智慧育種,育種的“科學”成分含量越來越多,“藝術”成分含量越來越少。生物技術與信息技術結合,推動育種向精準化、高效化和規模化方向發展。我國種業面臨跨國公司壟斷、産業對外依存度高的局面,給作物育種帶來新挑戰,育種科技亟需革命性改變。

  加大基礎性平臺研發力度,構建生物技術和信息技術基礎資訊採集平臺,驅動産業發展。隨著基因編輯、合成生物等前沿生物技術興起,美國等發達國家和跨國種業公司不斷加強高通量、大型化、規模化、自動化科技基礎設施建設,加快農業生物技術創新。歐美等發達國家和地區相繼建立高通量作物表型平臺等重大科技基礎設施,加快作物基因設計育種步伐。麻省理工學院、國際水稻研究所等研究機構建立了作物基因編輯、全基因組選擇、合成生物等分子設計育種相關平臺,專注理論基礎和應用基礎研究。我國也應圍繞生物育種前沿技術和重點領域部署一批具有國際一流水準的科技資訊採集和服務平臺,為基礎性、前沿性和引領性核心技術攻關提供平臺支撐。

  強化科學育種底盤技術創新,布局基因編輯和人工智慧等前沿引領技術攻關。機器學習方法是人工智慧的核心,農作物全基因組選擇技術必將融入機器學習方法等人工智慧核心技術,即通過基因型和表型等數據自動化獲取與解析,實現大數據快速積累,通過構建多維度資訊之間的數量遺傳模型,開展植物性狀調控基因快速挖掘與表型精準預測,實現育種方案智能化設計。同時整合全基因組選擇和基因編輯、轉基因技術等前沿高新技術,持續推動傳統育種技術改造升級,向精準化、高效化和規模化發展。

  搭建精準鑒定種質資源共用數據庫,培育優勢種質資源群和多元化底盤育種資源。種質資源不僅是保障國家糧食安全與重要農産品供給的戰略性資源,更是農業科技原始創新與現代種業發展的物質基礎。依靠海量存儲和高性能計算技術,建設數字化種質資源庫,將海量種子基因數字化,才能為人工智慧育種打下基礎。在高通量測序的大數據背景下,國際上對主要作物的基因組數據已經有相對完備的數據庫係統,智慧育種的任務之一是基于種質資源資訊建立作物育種數據提取、挖掘、存儲、分析、共用數據庫,整合多組學數據開展聯合分析,突破生物大數據獲取、分析、挖掘等底層支撐技術,建立“數據—技術—演算法—決策”一體化智慧育種策略,提升育種精準度,縮短育種周期,建立高效作物智慧育種體係。

  建立以目標為導向的科企協同攻關團隊,促進智慧育種在實際育種中發揮作用。一方面,與跨國公司相比,我們目前以課題組為單位、上中下遊分離的研發體係缺乏大群體選育等條件。另一方面,我國種業行業市場集中度低、科技創新能力不足、科研投入少、投入效率低,與跨國公司相比,在單獨一個企業內部實施全鏈條智慧育種可能性不大。因此,使研發鏈和産業鏈有機融合,集聚科研院校和種業企業優勢,實施以目標為導向的科企合作科研攻關模式勢在必行。

  2021年6月,中國農業科學院作物科學研究所與阿里巴巴達成合作,共同推動建立生物技術(BT)、信息技術(IT)與智能技術(AT)深度融合的“智慧育種”平臺,為加快培育作物新品種提供重要技術支撐。形象地説,智慧育種公共服務平臺像一個“中央廚房”,育種專家就是“廚師”,通過挑選“食材”和“配料”,根據作物基因型、表型、栽培措施、氣候環境數據和育種過程中相關圖像數據的查詢和聯合分析,模擬“烹飪”出他們想要的“菜肴”。該合作依托中國農業科學院作物科學研究所農作物基因資源與基因改良國家重大科學工程等設施,借助阿里巴巴在大數據處理、存儲和分析等方面的優勢,構建覆蓋作物育種全鏈條、智能化“智慧育種公共服務平臺”,為國內育種專家提供公益、普惠的研究支撐服務,實現作物育種全流程數字化管理,提高作物育種信息化水準和育種效率,為綠色、優質、高效等突破性品種選育提供強有力支撐。

【糾錯】 【責任編輯:邱麗芳 】
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