“十五”期間，八六三計(jì)劃增設(shè)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)主題。該主題的設(shè)置旨在突破一批對(duì)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)帶動(dòng)性強(qiáng)、覆蓋面廣、關(guān)聯(lián)度高的核心技術(shù)、共性技術(shù)和配套技術(shù)，重點(diǎn)開發(fā)一批農(nóng)業(yè)高科技產(chǎn)品，獲得一批國內(nèi)外專利，建設(shè)一批農(nóng)業(yè)高科技中試與產(chǎn)業(yè)化示范基地，形成一批新興農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，培育一批農(nóng)業(yè)高科技企業(yè)，大幅度提升我國農(nóng)業(yè)高技術(shù)研究和開發(fā)水平，力爭(zhēng)五年內(nèi)初步建立我國農(nóng)業(yè)高科技創(chuàng)新體系。

幾年來，該主題在農(nóng)作物高效育種技術(shù)及優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗、專用新品種培育、現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)與新產(chǎn)品、擴(kuò)繁及現(xiàn)代養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)、優(yōu)質(zhì)高抗專用林草新品種選育技術(shù)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等方面取得了很大進(jìn)步。

農(nóng)作物雜交育種，這是很多人都了解的，就是通過有性雜交的方法培育新品種。如一個(gè)品種具有高產(chǎn)的優(yōu)良性狀，另一個(gè)品種具有優(yōu)質(zhì)的優(yōu)良性狀，將這兩個(gè)品種雜交，后代就可能育出既優(yōu)質(zhì)又高產(chǎn)的新品種。傳統(tǒng)的雜交育種都是育種專家根據(jù)育種材料及其后代的“外貌”(即表型性狀)，在田間直接選擇的。

“近年來，一種新的育種方法———分子育種正在全世界興起。目前國內(nèi)外對(duì)分子育種技術(shù)有多種解釋，我理解它是通過分子技術(shù)對(duì)育種的目標(biāo)基因和目標(biāo)性狀進(jìn)行轉(zhuǎn)移和選擇，進(jìn)而培育出優(yōu)良的新品種，通俗說法就是在分子水平上進(jìn)行育種操作。使用分子育種技術(shù)可以不受外界環(huán)境條件的影響，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)直接對(duì)控制目標(biāo)性狀的基因進(jìn)行選擇，它代表著作物育種的發(fā)展方向。”當(dāng)我們來到中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院時(shí)，國家863計(jì)劃生物和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域“主要農(nóng)作物虛擬分子設(shè)計(jì)育種課題”負(fù)責(zé)人向我們講解了分子育種問題。

傳統(tǒng)育種技術(shù)的缺陷和分子育種技術(shù)的誕生

據(jù)估計(jì)，在促進(jìn)糧食產(chǎn)量增加的諸多科技因素中，育種的貢獻(xiàn)占1/3以上，然而目前人們使用的主要是常規(guī)育種技術(shù)，它存在三方面的缺陷：一是育種周期長(zhǎng)，從雜交到育出品種一般需要七八年甚至十多年;二是效率低，每年要配制幾十甚至幾百個(gè)雜交組合，常常是能從中選出一個(gè)品種就很不錯(cuò)了;三是預(yù)見性差，一般很難預(yù)測(cè)雜交后代的表現(xiàn)，有時(shí)即使成功，也不明白其中的真正原因。

常規(guī)育種的這些問題已經(jīng)困擾育種專家?guī)资辏涓驹蚴侨藗儧]有找到控制育種目標(biāo)性狀的基因。

在基因組學(xué)的推動(dòng)作用下，產(chǎn)生了一項(xiàng)新的育種技術(shù)———分子標(biāo)記輔助育種。該項(xiàng)目的科研人員以培育抗病品種為例解釋：“傳統(tǒng)育種技術(shù)要培育抗病品種，通常是用抗病品種做親本，與具有其他優(yōu)良目標(biāo)性狀(比如抗倒伏)的品種雜交，從產(chǎn)生的后代中進(jìn)行選擇，這樣的選擇要進(jìn)行5-6代。但如果選擇時(shí)田間沒有發(fā)病，就無法確定后代是否具有抗病性，這樣經(jīng)過多年選育出的材料最后可能發(fā)現(xiàn)是感病的，結(jié)果就前功盡棄。而采用分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)首先就是要找到抗病基因的分子標(biāo)記，然后利用找到的標(biāo)記對(duì)育種親本及后代進(jìn)行選擇。”

據(jù)專家介紹，使用分子育種技術(shù)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，能有效地解決常規(guī)育種長(zhǎng)期未能解決的問題。

建立分子育種數(shù)據(jù)庫

分子育種是建立在掌握大量基因信息基礎(chǔ)上的。基因組學(xué)每天都產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，其中有一部分正是分子育種所需要的。但這些數(shù)據(jù)分散于世界各地的數(shù)據(jù)庫中，對(duì)一般育種專家來說，從中獲得這些數(shù)據(jù)就像大海撈針一樣困難。因此需要將分散于這些數(shù)據(jù)庫中與分子育種有關(guān)的數(shù)據(jù)提取出來，建立一個(gè)專門的數(shù)據(jù)庫。

在“主要農(nóng)作物虛擬分子設(shè)計(jì)育種課題”中，有一項(xiàng)內(nèi)容就是建立我國的分子育種00數(shù)據(jù)庫。“我們課題組目前已經(jīng)完成了數(shù)據(jù)庫骨架的建構(gòu)，初步建立了DNA與蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)格式、物理模型，為數(shù)據(jù)庫的建立奠定了基礎(chǔ)。目前，庫中該數(shù)據(jù)庫中已保存一大批DNA數(shù)據(jù)，其中包括基因104085個(gè)，分子標(biāo)記1416個(gè)。”

開發(fā)有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分子標(biāo)記

分子標(biāo)記輔助育種的另一個(gè)基本條件是要擁有大量的分子標(biāo)記。“需要指出的是，到目前為止，我國使用的主要是國外的分子標(biāo)記，不僅數(shù)量不能滿足需要，而且使用這些標(biāo)記常常受到限制。此外，目前所用的分子標(biāo)記大部分只是和目標(biāo)基因相連鎖，其本身并不是目標(biāo)基因。因此有必要開發(fā)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代分子標(biāo)記。這種新一代分子標(biāo)記本身就是目標(biāo)基因的一部分，使用這種標(biāo)記可以對(duì)基因直接進(jìn)行選擇。

“目前，課題組已建立了大規(guī)模開發(fā)新型分子標(biāo)記的技術(shù)體系，利用該技術(shù)體系，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2萬個(gè)后選分子標(biāo)記，有1000多個(gè)有功能的分子標(biāo)記已得到驗(yàn)證，其中有258個(gè)可以在小麥、水稻、玉米、大麥等四種作物上應(yīng)用。這是我國第一次大規(guī)模進(jìn)行分子標(biāo)記的開發(fā)，目前已為國際水稻所提供了98個(gè)分子標(biāo)記。”專家介紹到此時(shí)，喜悅之情溢于言表。

開發(fā)“計(jì)算機(jī)種地”軟件

據(jù)介紹，作物育種涉及的基因數(shù)量多，育種后代的群體大，而且受自然環(huán)境的影響。因此，計(jì)算分析必須借助于計(jì)算機(jī)才能完成。最新的方法是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行品種“設(shè)計(jì)”和“育種”，這就是品種設(shè)計(jì)與虛擬育種。這種方法能縮短育種周期，提高育種效率。

品種設(shè)計(jì)與虛擬育種的主要內(nèi)容包括利用數(shù)據(jù)庫提供的種質(zhì)資源信息、基因信息，設(shè)計(jì)最佳的親本組合、分析基因的效應(yīng)，根據(jù)基因在育種不同世代的分離情況設(shè)計(jì)最佳群體。模擬育種材料在不同條件下的生長(zhǎng)發(fā)育，制定出一套最佳的育種方案。“課題組的任務(wù)之一是編制一些模擬軟件。雜種優(yōu)勢(shì)分析軟件、部分標(biāo)記輔助選擇預(yù)測(cè)軟件、數(shù)量性狀分析軟件的編制目前已完成，其中數(shù)量性狀分析軟件已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)‘育種’必須與育種實(shí)踐相結(jié)合，受實(shí)踐的檢驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)踐結(jié)果對(duì)軟件進(jìn)行修改，這就是一個(gè)實(shí)踐—理論—實(shí)踐循環(huán)往復(fù)的過程。”

將分子育種數(shù)據(jù)庫、分子標(biāo)記、基因資源信息及分子育種計(jì)算機(jī)軟件匯總在一起，建立一個(gè)“分子育種信息平臺(tái)”即“中國作物分子育種信息網(wǎng)”，目前該網(wǎng)在建設(shè)之中，主頁設(shè)計(jì)已完成，預(yù)計(jì)年底可以開通，到時(shí)候我國的分子育種科技工作者就能夠從網(wǎng)上及時(shí)找到所需的信息。

最后專家指出，計(jì)算機(jī)模擬分子育種技術(shù)必須和常規(guī)育種方法結(jié)合起來，才能出成果。當(dāng)前的努力方向應(yīng)該是逐步提高分子技術(shù)在分子標(biāo)記輔助育種中的技術(shù)含量，從而實(shí)現(xiàn)真正的分子育種，實(shí)現(xiàn)作物育種由“經(jīng)驗(yàn)+藝術(shù)+機(jī)遇”向科學(xué)轉(zhuǎn)變。

■鏈接

分子育種數(shù)據(jù)庫包含九個(gè)應(yīng)用子庫

1.基因表達(dá)序列標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫;2.蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫;3.分子標(biāo)記數(shù)據(jù)庫;4.轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)庫;5.抗病基因數(shù)據(jù)庫;6.抗逆基因數(shù)據(jù)庫;7.蛋白激酶數(shù)據(jù)庫;8.原始文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫;9.同源序列數(shù)據(jù)庫和功能基因分類管理數(shù)據(jù)庫。

虛擬分子設(shè)計(jì)育種取得成就的應(yīng)用全景

1.開發(fā)的通用分子標(biāo)記可用于水稻、小麥、玉米等多種作物的分子育種，解決我國分子育種缺乏分子標(biāo)記問題。構(gòu)建三大作物比較分子圖與比較性狀圖對(duì)于三大作物的信息共享將具有重要價(jià)值。

2.建立的計(jì)算機(jī)模擬育種體系可以有效提高親本選配與后代選擇的成功率

3.獲取的攜帶已知重要基因的優(yōu)異種質(zhì)(抗病、抗逆、優(yōu)質(zhì))可以廣泛用于全國的分子育種與常規(guī)育種，培育出一批優(yōu)良新品種

4.建立的數(shù)據(jù)庫與信息網(wǎng)站，可以使科研人員正確迅速的獲取所需數(shù)據(jù)，大大縮短科研周期。

■我說863

喻樹迅(現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)主題專家組組長(zhǎng))

863計(jì)劃現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)主題遵循“有限目標(biāo)、重點(diǎn)突出;加強(qiáng)創(chuàng)新、提高競(jìng)爭(zhēng);建設(shè)技術(shù)平臺(tái)，加強(qiáng)集成應(yīng)用;大力推廣產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展”的原則。

主題自2001年立項(xiàng)以來，在專利申請(qǐng)和標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)突破和工藝創(chuàng)新、新品種培育和新產(chǎn)品研發(fā)、人才培養(yǎng)和隊(duì)伍建設(shè)、基地建設(shè)和企業(yè)培育方面取得了一系列重要進(jìn)展和突破性成果。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，主題共申請(qǐng)國內(nèi)外發(fā)明專利222件，授權(quán)72件，獲省部級(jí)以上成果158項(xiàng)，審定新品種566個(gè)，獲保護(hù)權(quán)41個(gè)，累計(jì)推廣面積4.3億畝，出版專著67部，發(fā)表論文2223篇，SCI、EI收錄論文135篇，成果創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益115.5億元。

重大成果主要體現(xiàn)在超級(jí)雜交水稻、優(yōu)質(zhì)、多抗棉花新品種選育、新型緩/控釋肥料技術(shù)、樹木體細(xì)胞胚胎發(fā)生及其產(chǎn)業(yè)化方面。溫敏核不育基因輔助群體改良技術(shù)，早熟不早衰生化遺傳輔助育種技術(shù)體系，生物工程技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，將遠(yuǎn)緣有利基因?qū)氤?jí)雜交稻、棉花親本材料中，選育出畝產(chǎn)可達(dá)900公斤的超級(jí)雜交水稻組合;培育成優(yōu)質(zhì)棉01-618品系，絨長(zhǎng)36mm，比強(qiáng)40cN/tex，mic3.7-4.0，育成我國第二個(gè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)雙價(jià)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉中棉所45，成功克隆水稻抗稻瘟病基因P19、抗白葉枯病基因Xa21、棉花早衰基因Ghcysp、水稻抗病信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與調(diào)控基因BWMK1和OsLSD1，用基因芯片技術(shù)研究超級(jí)雜交稻F1代雜種優(yōu)勢(shì)形成的分子基礎(chǔ)，建立落葉松優(yōu)良無性系、落葉松雜種新種質(zhì)材料細(xì)胞系庫，成功研制了緩釋尿素、控釋磷銨、新型緩釋劑和綠色控釋多養(yǎng)分肥料，能顯著延緩尿素在土壤中的水解速率和減少氮素?fù)p失，能顯著減少土壤對(duì)磷的固定和氮的損失，提高利用率和延長(zhǎng)肥效。