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培育作物高效稳定不育系 提升种子繁育技术竞争力
来源:科技日报 发布时间:2021-04-08

玉米多控不育技术在原理和技术路径上,比国外类似技术更先进和安全,生物安全风险降低两个数量级以上,确保未来大面积应用时,风险更低,效果更好。

  吴锁伟 课题研究团队成员

  “洪范八政,食为政首”,解决好中国十几亿人口的吃饭问题,始终是治国理政的头等大事。种子是农业的灵魂,更是农业的“芯片”。要为我国农业高质量发展提供优良的种子,高水平的培育和高质量的繁育不可或缺。

  科技日报记者从北京科技大学获悉,国家重点研发计划“七大农作物育种”成果“良种繁育共性关键技术研究与示范”取得了显著成效和关键突破,建立了玉米多控不育技术体系和作物通用型显性不育技术体系,创制了遗传稳定的隐性和显性核不育系,实现了对国外同类技术的超越和创新,填补了相关领域的空白。同时,两项共性关键技术已开展了一定规模的大田生产试验示范,未来大面积产业化后,将支撑我国良种繁育的产业升级。

  加快制种产业向技术密集型转变

  长期以来,我国对于种子繁育的科技支撑,特别是“两杂”作物的杂交种制种过程中的科技支撑力度始终不足。例如,当前玉米等异花授粉作物的制种过程中缺乏稳定不育系,劳动力成本逐年递增;良种繁育与制种基地信息化水平不足;亲本繁育、制种效率与产量偏低。

  这些问题困扰着我国良种繁育产业的高质量发展。为此,国家重点研发计划有针对性的支撑了“良种繁育共性关键技术研究与示范”课题,目的是通过北京科技大学、中国水稻研究所、浙江大学、北京市农林科学院信息中心和湖北省农业科学院等优势单位的联合,进行良种繁育环节关键共性技术的攻关及示范应用,为获得优良的农作物种子提供新技术和新模式,进而为提升我国种子繁育技术竞争力,加快制种产业由“劳动密集型”向“技术密集型”提供科技支撑。

  植物雄性不育是指在高等植物中,雄性器官发育异常,不能产生有功能的雄配子(花粉),但雌性器官发育正常,能接受正常雄配子而受精结实,并能将该不育性遗传给后代的现象。雄性不育系在作物杂交育种和制种中作为母本,不用人工或机械去雄,因而可以降低人工成本,提高杂交育种和制种效率。

  作物杂种优势利用以三系法和两系法为主,然而,以细胞质不育为核心的玉米三系法,由于胞质单一,存在资源利用率低、抗病抗逆性差等重大缺陷,两系法受温度、光照等环境因素影响较大,生产存在风险。

  “因此,建立核基因控制的遗传稳定、安全高效的作物不育化制种技术,是良种繁育领域的迫切需求,也是本课题研究的重点和难点。”课题负责人,北京科技大学生物与农业研究中心主任万向元教授在接受科技日报记者采访时先容。

  技术攻关、成果示范应用“两步走”

  面对如此迫切的需求和攻关难点,课题的攻关过程主要分为两个阶段,一是技术攻关阶段,二是成果示范应用阶段。“在技术攻关阶段,课题开创性地建立了国际先进、国内领先的玉米多控不育技术和作物通用型显性不育技术,申请并获得了多项常识产权保护,同时课题进行了这两项技术的产业化应用价值评估,为产业化示范应用做准备。在课题技术成果示范应用阶段,课题集成水稻离田场地基质育秧技术、小苗浅栽机插技术,结合自研的水稻长效颗粒肥,形成了一套适合水稻的机械化轻简栽培技术,并已进行产业化示范应用。”课题研究团队成员安学丽教授说。

  利用基因互补、荧光筛选、除草剂筛选和花粉失活等技术策略,将生物技术与传统育种相结合,课题建立了作物不育化杂交育种和制种技术体系。

  研究人员克隆了玉米核雄性不育关键基因,建立了玉米隐性核雄性不育技术体系(玉米多控不育技术)和作物通用型显性不育技术体系,并以玉米为主要研究对象,开展了作物不育化育种和制种技术体系的产业化应用评价及示范。

  “其中,玉米多控不育技术在原理和技术路径上,比国外类似技术更先进和安全,生物安全风险降低两个数量级以上,确保未来大面积应用时,风险更低,效果更好。”课题研究团队成员吴锁伟教授说。

  研究团队提出了水稻机插盘育秧理想株型指标体系和盘育秧株型发育调控生理机理,

  研发了一种水稻盘育秧株型调控剂,将盘育秧—机插和生长素浓度生理效应相结合,既实现盘秧控苗促根,同时机插后促长早发,改变了以多效唑和烯效唑等矮壮素为主的水稻盘育秧调控剂;研发了基于功能区划分的水稻育秧基质复配原理,并以此研发了一种水稻无土育秧基质。

  以种业行业管理办法和规则为依据,课题还构建了作物种子繁育基地信息化管理技术体系,完成作物种子繁育基地信息系统研发,系统获得两项计算机App著作权,并已实现上线运行,可为各种子繁育基地提供信息管理服务。

  部分成果已开始规模化推广

  如今,课题研发的机插水稻育秧基质,已经用于实施水稻离田场地化基质育秧。

  “相较传统露天田间分厢机插盘育秧,该技术避免了营养土准备和田间病虫危害等,减少了秧盘搬运次数和劳动强度,每亩减少用工70%以上,减少化肥和壮秧剂100%,劳动强度减轻60%。小苗机插移栽较传统机插技术,可将水稻分蘖盛期提早7天左右,有效穗提高1.8个/丛,繁育稻种产量提高10%以上;秸混颗粒长效肥,可有效满足水稻的生长发育和高产。”安学丽说。

  2019年,课题里集成的优质高产水稻机械化轻简栽培技术在浙江富阳基地进行了示范展示。利用该集成技术示范的水稻品种“深两优8012”,在前期机插密度不足的情况下,经专家现场机收实割验收,4.5亩实收鲜谷3600公斤,折合标准含水量,实际稻谷亩产达735.23公斤。

  在万向元看来,课题取得上述关键突破,主要经验可以归纳为两点:一方面是构建了贯穿基础研究、应用基础研究、技术创新和应用示范于一体的研究体系。“良种繁育的各项关键问题看似是生产问题,但是究其源头,涉及到了创新链的各个环节,例如雄性不育制种技术体系,既面临源头基因资源匮乏、机理解析不清晰的问题,也面临着技术体系原创性设计等关键攻关,同时也要兼顾未来大面积实施的效果和产业化的成本等诸多因素。”万向元说。

  因此,课题从一开始就构建起了基础研究、应用基础研究、技术创新和应用示范的融合贯通体系,不断强化各个环节的紧密衔接,实现关键技术的快速突破。

  另一方面是强化关键技术的示范应用。“课题从一开始,就定位了既要顶天也要立地的实施思路,除了不断追求国际领先的原创性技术突破之外,也不断加大技术转移转化力度。项目实行期内,不少的研究成果均已经实现了产业化推广,例如水稻育秧技术、制种基地信息化管理技术等,都已经开始了规模化的应用。”课题研究团队成员李翔研究员说。

  课题的研究工作虽然在“十三五”取得了一定的进展,但是课题研究团队也认识到,很多技术受限于政策、成熟度等诸多因素,尚待进一步研发、完善和转化。

  “‘十四五’研究团队接下来将重点开展两方面的工作,一是完成部分以基因编辑等技术为基础的新一代制种技术的科学监管程序,力争‘十四五’能够实现规模化的产业应用。二是进一步通过技术创新,做精做深制种环节的质量控制关键技术流程,支撑高品质种子的生产,从种子质量环节,严把种业安全关。”万向元说。


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