玉米品种的“供给侧”改良

“玉米我国最重要的禾谷类作物之一。新中国成立以来,我国玉米单产和总产的增加很大程度上依赖于玉米育种水平的不断提高。在诸多增产因素中,玉米新品种的贡献率达到35%左右。”国家玉米改良中心副主任李建生对记者说。
21世纪我国农业面临人口不断增加和农业资源不断减少的双重压力,为了实现粮食安全和生态安全、提高农业效益的战略目标,提高玉米产品的科技含量和玉米生产的产业化程度是一项重要举措。为此,国家“十一五”863现代农业技术领域设立了“植物分子与细胞高校育种技术与品种创制”重大专项,并于2006年12月启动了“高产优质多抗玉米分子品种创制”课题,主要对玉米育种技术开展研究,最终目的是提高产品的科技含量,并提高种业的竞争力。
作为课题负责人,李建生说:“我们将充分利用基因组学和生物信息学的最新研究成果,开展玉米分子标记育种研究,构建分子育种技术体系,选育高产优质多抗玉米新品种,对提升我国玉米育种水平,保证国家粮食安全和增加农民收入具有重要意义。”
开展玉米分子标记育种研究意义重大
玉米我国最重要的禾谷类作物之一。
“根据国家有关部门的统计,改革开放以来,在水稻,小麦和玉米三大禾谷类作物中,玉米是唯一播种面积呈逐年上升的禾谷类作物。”李建生说:“1977年玉米播种面积是1967万公顷,2003年达到2400万公顷,2007年达2700万公顷,而水稻和小麦的播种面积却在缓慢下降。按照这种发展趋势,在不久的将来,玉米可能成为我国第一大禾谷类作物。”
同时他介绍,1977年我国玉米总产量为0.49亿吨,到2006年增加到1.45亿吨,增长了两倍左右。“我国玉米产量的增加很大程度上依赖于玉米育种水平的不断提高。在诸多的增产因素中,玉米新品种的贡献率达到35%左右。”
他表示,21世纪我国农业面临人口不断增加和农业资源不断减少的双重压力,为了实现粮食安全、食品安全、生态安全、提高农业效益的战略目标,提高玉米产品的科技含量和玉米生产的产业化程度是一项重要举措。尽管传统育种技术在作物遗传改良方面取得了显着成就,但由于其选择效率较低、周期较长,已不能满足当前玉米生产对优良品种的需求。
记者了解到,近20年来,随着植物分子生物学技术的发展和应用,对作物遗传育种产生了极其深远的影响。生物技术与常规育种技术的有机结合正孕育作物遗传育种的第三次技术突破。
李建生介绍,自从模式植物拟南芥基因组全序列测序完成后,模式作物———水稻全基因组测序的完成和玉米全基因组测序的启动,为作物常规育种手段与分子标记辅助选择和转基因技术的有机结合形成了新的学科———农作物分子育种学,并成为作物遗传育种学新的生长点。
“利用分子标记开展重要农艺性状和产量性状的定位,是分子育种的重要基础研究。”他表示,过去20多年来,分子标记技术以及QTL定位方法的快速发展,为复杂数量性状的研究提供了强有力的手段。借助于覆盖全基因组的分子标记连锁图,利用合适的分离群体,已经定位了大量影响产量、农艺、品质、生物和非生物抗性等性状的QTL和基因。
他告诉记者,在“十五”863计划的支持下,我国科研单位已开始分子育种的研究。其中,中国农业大学和中国农科院利用SSR分子标记分析了我国优良玉米自交系的遗传变异,对其进行了杂种优势群的划分,为更有效地利用我国现有的种质资源,进一步提高玉米杂种优势水平提供了有价值的信息;中国农科院采用o2基因的SSR标记phi057,大规模开展了优质蛋白玉米分子育种材料创制,选育出优良自交系CD2和CD7,已配制出中试401等优良杂交组合;四川农业大学利用抗玉米纹枯病的QTL紧密相连锁的分子标记,对抗性分子标记辅助选择,获得多个高抗玉米纹枯病自交系。
他说:“开展玉米分子标记育种研究,构建实用、经济、高效的分子育种技术体系,选育高产优质多抗玉米新品种,实现玉米育种理论和关键技术的新突破,对提升我国玉米育种水平,保证国家粮食安全和增加农民收入具有重要意义。”
我国将建立以育种为目的的分子标记开发技术体系
“十一五”863“高产优质多抗玉米分子品种创制”课题于2006年12月正式启动。
“本课题涉及的主要研究技术均是国内外当前应用较为成熟的技术。课题使用的关键材料都由课题参加单位自主研制,具有自主知识产权。课题研制的玉米新材料、培育的玉米新品种均可以申请植物新品种保护。课题开发的功能基因标记也可以申请专利保护。”李建生自豪地表示。
他介绍,课题的主要研究内容包括:
玉米重要性状分子标记的开发———针对我国玉米优势区玉米生产的主要问题和种子市场对玉米新品种的需求,在前期对玉米重要性状基因/QTL定位的基础上,采用基因组学和生物信息学等学科的先进技术,发掘有育种价值的实用分子标记,并直接应用于玉米育种。根据性状的重要性和研究基础,采用关联分析方法,重点开发玉米抗矮花叶病毒病、高油、高赖氨酸、高维生素A源性状的功能分子标记;采用比较基因组研究策略,寻找玉米抗旱的候选基因,通过序列分析和抗旱性评价,发掘玉米抗旱的功能标记。利用方便快捷的分子标记技术,深入开展玉米抗丝黑穗病、抗穗粒腐病、抗纹枯病、玉米株高及产量性状QTL的精细定位、发展实用分子标记;利用分子标记定位玉米氮高效、磷高效、以及株型相关性状的QTL。
玉米新材料和新品种的研制———以我国优良玉米自交系为材料,采用共同分子标记进行基因型分析,同时结合育种收集农艺、抗性和产量性状的表型数据及配合力数据,构建用于分子育种的优良玉米自交系分子标记数据库和表型性状数据库。利用已经获得的与抗性、品质及产量性状连锁的分子标记,筛选我国优良玉米自交系,进一步评估分子标记的育种利用价值,为组配优良玉米新组合提供信息。利用本课题重点开发玉米抗矮花叶病毒病、高油、高赖氨酸、高维生素A源性状的分子标记,以现有的高产玉米品种或组合的优良骨干亲本为受体,采用分子标记辅助选择方法,将其转育成抗病、优质新材料,并组配抗病、优质新品种。在利用分子标记筛选育种基础材料和划分玉米杂种优势群的基础上,结合玉米常规育种技术培育高产、优质、多抗玉米新杂交种,并进行试验、示范和推广。
课题的预期目标是:获得玉米抗病、优质、高产、抗旱、营养高效性状的各类分子标记120至150个,其中可以直接用于育种的实用分子标记60至80个。建立以育种为目的的分子标记开发的技术体系。利用已经建立的分子育种技术,培育玉米抗病、优质、高产、抗旱、营养高效的自交系等材料30至50份。建立相应的分子标记辅助选择的技术体系。建成分子标记与表型性状相结合的分子育种数据库。采用分子育种与常规育种相结合的方法,育成高产多抗优质玉米新品种8至10个;优质专用玉米新品种3至5个。“十一五”期间,新品种累计推广面积2500万亩。申请分子标记辅助育种技术及功能型分子标记制种和发明专利8至10项。申请新自交系和新品种保护权8至10项。培养硕士和博士研究生15至20名,培训技术骨干10人。在国内核心学术刊物上发表论文60至80篇,其中SCI收录论文20篇。
课题进展显着,具备三大创新
课题启动一年来,已在重要性状功能标记的开发、重要性状QTL定位及分子标记开发、玉米优良自交系的分子标记辅助改良、优良玉米杂交种的选育及专用品种的推广示范等方面取得了明显进展;共培育通过省级以上审定的优良品种9个,其中国审品种1个,省审品种8个;发表论文26篇,其中SCI论文7篇;培养硕士和博士研究生40名。
李建生介绍,该课题共有三大创新点:应用基因组学、比较基因组学和生物信息学手段,以及关联分析的方法,开发玉米重要性状尤其是数量性状基因的功能分子标记;以优良玉米自交系为受体材料,通过分子标记辅助选择,创造抗病、优质的玉米新材料。这些优异材料不仅可以直接用于育种,而且可以为进一步研究玉米抗病、优质的分子生物学基础提供材料;通过分子育种与常规育种结合的方式,将高产的遗传背景与抗病、优质特性结合,培育高产、多抗、优质的玉米新品种。
他表示,课题汇集了我国玉米育种实力最强的6个优势单位,包括:中国农业大学、中国农业科学院作物科学研究所、四川农业大学、河南农业大学、吉林省农科院和山东省农科院。他说:“课题组把全国玉米分子育种的优势人力、技术、基础、成果整合在一起,形成一个团队,将为完成本课题任务提供可靠的保障。”
数字863
“高产优质多抗玉米分子品种创制”课题起止年限为2006年12月至2010年10月。
课题的预期目标是,获得玉米抗病、优质、高产、抗旱、营养高效性状的各类分子标记120至150个,其中可以直接用于育种的实用分子标记60至80个。建立以育种为目的的分子标记开发的技术体系。利用已经建立的分子育种技术,培育玉米抗病、优质、高产、抗旱、营养高效的自交系,渐渗系,近等基因系等30至50份。建立相应的分子标记辅助选择的技术体系。建成分子标记与表型性状相结合的分子育种数据库。采用分子育种与常规育种相结合的方法,育成高产多抗优质玉米新品种8至10个;优质专用玉米新品种3至5个。“十一五”期间,新品种累计推广面积2500万亩。申请分子标记辅助育种技术及功能型分子标记制种和发明专利8至10项。申请新自交系和新品种保护权8至10项。
课题主持单位与5家合作单位签订了子合同,明确了各自的任务。课题开展一年来,已经进行了高油、高赖氨酸、高维生素A源的功能标记的开发玉米,共获得4个基因的功能标记;抗丝黑穗病、抗穗粒腐病、抗纹枯病、玉米株高等QTL定位,共定位了17个QTL、完成了玉米氮高效、磷高效、以及株型相关性状永久定位群体的构建;应用分子标记辅助选择改良玉米自交系的杂交和回交群体,并配置组合以鉴定优良的玉米杂交种,育成优良玉米杂交种9个,高产多抗优质新品种及优质专用新品种示范面积达到近170万亩。
2006年度至2007年度,863项目专项拨款385万元,分两次下拨,分别为224万元和161万元。

◆获奖项目:水稻籼粳杂种优势利用相关基因挖掘与新品种培育所获奖项:国家技术发明奖二等奖项目简介:发掘出17个不育位点及广亲和基因,并发明相应分子标记,有效解决了籼粳杂种半不育难题;发掘早熟基因,提出基于感光基因型和光钝感基因的分子设计方法,解决了籼粳杂种超亲晚熟问题;发掘显性矮秆及株型关键基因,克隆半显性矮秆基因D53,并且首次阐明“独脚金内酯”信号途径控制株型的作用机理,为培育籼粳交理想株型奠定基础。

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◆获奖项目:油菜高含油量聚合育种技术及应用所获奖项:国家技术发明奖二等奖项目简介:首次证明油菜含油量主要是受母体基因型调控的,鉴定出含油量调控的5种不同途径、含油量达50%以上的4个高油资源和6个有自主知识产权的新功能基因,为高油聚合育种提供了新思路、新基因和优异亲本。

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◆获奖项目:优质强筋高产小麦新品种郑麦366的选育及应用所获奖项:国家科学技术进步奖二等奖项目简介:郑麦366的应用有效的缓解了对国外优质麦的依赖,为保障我国粮食和食品质量安全作出了重要贡献。

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◆获奖项目:西瓜优异抗病种质创制与京欣系列新品种选育及推广所获奖项:国家科学技术进步奖二等奖项目简介:针对我国西瓜育种血缘基础狭窄、技术滞后与突破性品种选育难等问题,以提高早熟优质西瓜品种的抗病、耐裂、丰产性为育种目标,通过育种技术创新与优异抗病种质创制,选育出优势性状突出、综合性状优良的西瓜新品种,通过良种产业化带动我国保护地西瓜品种的更新换代。

玉米是用作粮食、饲料和工业原料的作物。起源于美洲大陆的玉米,在哥伦布发现美洲后逐步走向全世界。大约500年前,玉米通过陆路或海上丝绸之路传入中国。中国农业大学农学与生物技术学院教授、中国作物学会玉米专业委员会主任李建生领衔的科研团队,专注玉米重要营养品质优良基因发掘与分子育种应用,取得了重要成果。这使得玉米品种从重产量向重品质转变,也恰好顺应了我国农业供给侧结构性改革的趋势。

◆获奖项目:小麦种质资源中重要育种目标性状的评价与创新利用所获奖项:国家科学技术进步奖二等奖项目简介:首次研制了符合小麦种质资源特殊性的高效评价新技术8项;首次从理论上揭示了地方品种具有广适性、持久性的遗传机制,并鉴定出符合新时期育种目标的优异种质155份;创制新种质28份,发掘新基因或QTL36个。

近日,李建生主持完成的“玉米重要营养品质优良基因发掘与分子育种应用”项目获得2016年国家技术发明奖二等奖。《中国科学报》记者对此进行了专访。

◆获奖项目:豫综5号和黄金群玉米种质创制与应用所获奖项:国家科学技术进步奖二等奖项目简介:解决了玉米种质资源狭窄、育种方法单一、品种同质化严重等制约我国玉米生产发展的核心问题。

玉米是我国最重要的农作物之一。国家统计局公布的2016年粮食生产数据显示,玉米播种面积36759.7千公顷、总产量21955.4万吨,分别占谷物播种面积的38.95%、总产量的38.85%。不管从面积还是产量来看,玉米均列三大主粮之首。

◆获奖项目:花生品质生理生态与标准化优质栽培技术体系所获奖项:国家科学技术进步奖二等奖项目简介:揭示了花生品质形成机理,明确了调控途径;明确了农艺措施对品质的调控效应,创建了品质调控的关键技术;建立了花生品质评价指标体系,完成了中国花生品质区划;建立了花生标准化优质栽培技术体系。

伟德betvicror官网,与此同时,玉米的2亿吨库存引人注目。“当前我国玉米出现的过剩是阶段性的、暂时的,但从长远来看,玉米仍是刚性需求。”李建生接受《中国科学报》记者采访时表示,“3斤玉米换1斤动物性产品,考虑人口增长和生活水平因素,我国对玉米的消费需求仍将保持增长的趋势。”

◆获奖项目:甘蓝雄性不育系育种技术体系的建立与新品种选育所获奖项:国家科学技术进步二等奖项目简介:挖掘新型雄性不育源,选育优良雄性不育系,创制优异骨干系,实现雄性不育系规模化制种,建立甘蓝雄性不育育种技术体系,配制优质、抗病、抗逆甘蓝新品种。

长期以来,人们只注重粮食产量而忽视其品质。而近年从国际到国内,人们越来越重视怎么吃更好。“联合国粮农组织新的战略口号之一是‘粮食和营养安全’,而不仅仅是之前的‘粮食安全’,营养的观念逐渐树立起来。”李建生介绍。

玉米籽粒中的维生素A 原、维生素E
和油份是对人类健康和动物生长发育有益的重要品质性状。比如,玉米油富含不饱和脂肪酸,可作健康食用油、高能饲料原料,但人均消耗来看,美国2.3公斤,中国仅为0.4公斤。

不仅如此,就玉米育种技术而言,“本世纪初,我国玉米分子育种刚起步,与发达国家有较大的差距。大多数研究处在数量性状位点初定位阶段,几乎没有可用于育种的分子标记”。李建生表示。

从2002年开始,李建生领衔的团队便关注玉米品质的遗传改良。历经14年,团队将基础研究、技术发明与育种实践紧密结合,利用先进的基因组学技术,针对油份、维生素E、维生素A原3个目标性状,进行数量性状位点定位,基因克隆,并挖掘优良等位基因,开发功能分子标记,继而应用于玉米育种。

李建生团队开展了玉米重要营养品质优良基因发掘与分子育种应用工作,并取得了诸多成果。

团队阐明了玉米油份提高的遗传学基础,挖掘了油份优良等位基因及功能标记,开启了玉米油份分子育种的先例。

首次在基因组水平上提出优良等位基因的累加是玉米油份提高的重要遗传基础。鉴定了具有提高含油量和不饱和/饱和脂肪酸比值功能的ZmfatB,以及提高含油量功能的COPII、ACP、LACS等7个油份新基因,开发了6个功能标记。

利用油份功能标记,培育了籽粒含油量8.0%左右的新品种“中农大高油5580”。针对一个主效高油基因,利用功能分子标记辅助回交,将我国推广面积最大的杂交种“郑单958”籽粒含油量提高了26.5%,并开始示范推广。

团队挖掘了维生素E优良等位基因及功能标记,建立了分子育种体系,开辟了玉米品种育种的新方向。

定位了79个维生素E的数量性状位点,占全球定位总数的58.5%。首次克隆了维生素E数量性状基因VTE4。“我们从508份资源中挖掘到VTE4的优良等位基因,能提高维生素E主要组分——a-生育酚含量2.2倍,开发了2个功能标记。”李建生介绍。

利用功能标记培育出“中农大甜419”“粤甜9号”等5个高维生素E甜玉米新品种。“5个品种均携带ZmVTE4优良等位基因,维生素E平均含量高达61.1μg/g,比对照提高164%。”李建生说。

团队还发现了高维生素A原优良等位基因分布的遗传规律,开发了功能标记,提高了国际生物强化项目的育种效率。

定位了33个维生素A原及类胡萝卜素数量性状位点,克隆了维生素A原主要组分β-胡萝卜素数量性状基因crtRB1。李建生表示,“该基因能提高β-胡萝卜素含量6.6倍,而且我们发现该基因在温热带玉米资源的频率明显高于热带玉米,提出了利用温带玉米优良等位基因改良热带玉米的新思路。”

挖掘了维生素A原优良等位基因及开发功能标记,开发的维生素A原标记占全世界的62.5%。创制了9份高维生素A原新自交系,新自交系高维生素A原含量是普通玉米的2.8倍以上。

李建生团队丰富和发展了玉米遗传育种的理论与方法,具有重要科学意义与应用价值。首先体现在其分子育种技术提升了我国种业的科技水平及竞争力上。

记者了解到,全世界共克隆了3个油份数量基因和3个维生素A原基因,其中李建生团队就各克隆了2个,并获发明专利、用于育种,奠定了我国油份分子育种的国际领先地位。

云南省农业科学院研究员番兴明团队利用李建生团队开发的高维生素A原功能标记和材料培育了高维生素A原的新组合。国际玉米小麦改良中心也利用了该团队开发的维生素A原功能标记,开创了我国玉米分子育种技术对外输出的先例。

国际玉米小麦改良中心种质资源项目主任Kevin
Pixey评价道:“这些分子标记在国际生物强化项目中的应用,是全球分子育种中最成功的例子。”

与国内外同类技术与成果相比,该团队还拥有两个“第一次”:首次挖掘维生素E优良等位基因及功能标记,高维生素E新品种是国内外首创。

团队培育了9 个营养品质优良的玉米新品种和1
个新品系,其推广应用带来了显著的经济效益。“有利于国家玉米种植结构的战略调整和增加农民收入,符合当前农业供给侧改革的方向。”李建生评价道。

数据显示,高维生素E优质甜玉米新品种2013—2015年间累计推广354.1万亩,占全国甜玉米种植面积的21.5%。按种植平均每亩增加收入800元计算,农民累计新增效益28.33亿元。广东金作农业公司等5家企业以玉米新品种为核心技术,累计新增利润4244.4万元。

过去十几年间,李建生团队既聚焦国际科技前沿,又面对国内重大产业需求,将理论与实践、高新技术与传统技术、学科发展与人才培养相结合,成绩斐然。仅论文一项,SCI收录31篇,其中《自然—遗传学》论文两篇,总影响因子达到136,总引用次数803,其中他引602次。

“未来十年,我希望基础研究力度更大一些,应用研究也更多一些,加强高新技术的研究,并向种子企业转移,带动种业技术升级,全面提升产业竞争力。”李建生表示。

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