“經驗育種”到定向高效“精確育種”

——記“主要糧食作物分子設計育種”項目

“十三五”末我國糧食作物良種選育將上新臺階,“主要糧食作物分子設計育種”項目已獲2016年國家重點研發計劃“七大農作物育種專項”14191萬元經費支持,我國水稻、小麥和玉米新品種培育有望在2020年前取得重大突破。

本項目是2016年“七大農作物育種”專項支持力度最大的項目。本項目由中國科學院遺傳與發育生物學研究所牽頭實施,匯集國內優勢單位57家、155名科技人員,設立“水稻分子設計育種”“小麥分子設計育種”“玉米分子設計育種”和“共性技術與信息平臺”四個課題。

項目根據水稻、小麥、玉米三大作物的共性和特性,擬在分子設計育種方向上開展以下五方面的研究:一是主要糧食作物關鍵基因挖掘和分子設計:在分析不同地區三大糧食作物主栽品種特性的基礎上,結合其產量、生育期和抗病蟲等性狀相關的基因型,根據水稻、玉米等基因克隆和小麥測序信息等相關信息,利用已精細定位的高產、優質、抗病蟲、耐逆、養分高效利用等重要性狀基因/主效位點,發掘驗證育種可用的基因特異性分子標記;二是研發和提高作物分子育種技術:利用育種材料全基因組遺傳背景選擇、分子標記篩選、基因快速導入和優異基因聚合等手段,顯著提高傳統育種效率,加快品種改良速度,建立作物分子育種技術體系和應用平臺,克服多性狀多基因聚合、后代選擇效率低等難題,大幅度提高我國分子育種的理論和技術水平;三是新品種培育與推廣:通過分子組裝設計,將供體親本與主栽品種進行雜交選育,利用分子標記進行輔助選擇,嘗試多性狀、多基因位點的不同聚合方式,實現重要性狀基因的聚合,創制高產、優質、抗病蟲、耐逆、養分高效利用等有重大育種利用價值的新材料,最終培育出具有多種優良性狀能大面積推廣的突破性新品種;四是分子設計育種信息平臺的建立:研制分子設計育種軟件,建立農藝性狀和基因信息數據庫,建立并完善分子標記數據庫和分子檢測平臺;五是生物安全的基因組編輯育種技術體系的建立:在技術層面完整地對作物基因組編輯技術進行全方位的改進、完善和創新,提高基因組編輯技術的高效性和準確性,建立生物安全的作物基因組編輯育種技術體系。

本項目的實施將建立水稻、玉米、小麥等主要糧食作物品種分子設計信息系統和高效育種技術體系,形成大量具有自主知識產權的發明專利及技術標準,推進優質高產抗逆與資源高效利用育種的相關理論與技術創新,顯著提升我國作物育種技術自主創新能力。通過培育推廣突破性新品種,大幅提高作物單產,降低生產成本,大幅度減少農藥用量,提高化肥利用率,節約水資源。

揭開神經嗜性病毒的神秘面紗

——記“重要神經嗜性人獸共患病免疫與致病機制研究”項目

人獸共患病防控關系動物和人民健康、環境與生態安全。隨著環境、氣候的改變,人類面臨人獸共患病的威脅日益加劇。“重要神經嗜性人獸共患病免疫與致病機制研究”項目于2016年獲得國家重點研發計劃“畜禽重大疫病防控與高效安全養殖綜合技術研發專項”立項支持,我國在重要神經嗜性人獸共患病的免疫與致病機制研究領域將有望取得重大突破。

本項目經費為4900萬元,執行期為2016—2020年。該項目由華中農業大學牽頭實施,匯集國內14家優勢單位、38名科技人員進行聯合攻關。項目將圍繞狂犬病毒、乙型腦炎病毒的免疫與致病機制,從7個方面開展系統研究:一是病原生態學與分子流行病學研究:將對我國新出現的狂犬病、乙型腦炎傳染源,開展遺傳演化、地理分布、感染率、毒力、免疫原性等分析,并對不同動物(尤其是野生動物)傳播狂犬病和乙型腦炎的分布和流行新特點展開研究。二是病原感染與傳播機制研究:將從病毒感染不同宿主細胞受體利用的角度,揭示乙型腦炎病毒跨宿主傳播的分子機制,并研究狂犬病毒逆神經軸漿傳輸機制。三是病原復制/增殖機制研究:重點研究病毒蛋白及宿主因子在病毒復制與包裝過程中的調控作用機制。四是病原誘導天然免疫應答及其調控機制研究:發掘神經嗜性病原天然免疫識別受體,解析病原逃逸宿主天然免疫的機制,篩選有效宿主抗病毒因子等。五是病原誘導獲得性免疫應答及其調控機制研究:重點解析乙腦病毒調控Tfh細胞分化機制、狂犬病毒調控漿細胞和記憶性B細胞分化機制。六是病原入侵中樞神經系統(CNS)的機制研究:研究神經嗜性病原入侵中樞神經系統的途徑、誘導血管內皮細胞活化及血腦屏障破壞的機制,為阻斷病原入侵中樞神經系統提供分子靶標。七是病原誘導神經損傷的分子機制研究:解析乙型腦炎病毒誘導中樞神經系統炎癥反應的分子機制、狂犬病毒誘發神經遞質產生異常的分子機制,為神經嗜性病毒引發中樞神經系統疾病的治療提供新的藥物靶標和理論依據。

本項目將全面揭示狂犬病毒和乙型腦炎病毒的病原生態學與分子流行病學特征,發掘介導狂犬病毒和乙型腦炎病毒感染與傳播的關鍵受體蛋白,闡明病毒復制以及與宿主免疫系統互作的新機制,解析其入侵神經系統、誘導神經損傷的關鍵信號通路。其研究成果不僅可以為狂犬病毒、乙型腦炎病毒的新型疫苗、診斷試劑、藥物及治療等防控技術與產品研發提供重要理論基礎,而且還將推動我國神經嗜性病原研究新領域的拓展,具有重要的科學價值和社會意義。

誘變育種:從“無中生有”到農作物品種持續創新

——記“主要農作物誘變育種”項目

日前,中國農業科學院作物科學研究所牽頭的“主要農作物誘變育種”項目已獲2016年國家重點研發計劃“七大農作物育種”重點專項4774萬元經費支持。

“十三五”期間本項目匯集國內48家優勢單位、116名科技人員,設立了小麥誘變育種技術創新與品種創制、水稻空間誘變育種技術創新與品種創制、水稻誘變育種技術創新與品種創制、玉米誘變育種技術創新與品種創制、大豆等經濟作物誘變育種技術創新與品種創制、主要農作物誘變共性技術開發研究等六個課題。

本項目重點開展以下5個方面的研究:一是主要農作物誘變損傷修復與基因突變的分子解析:研究高能重離子輻射、空間誘變、地面模擬誘變等誘發小麥、水稻、玉米、大豆、棉花、辣椒、番茄等主要農作物變異的分子生物學效應,解析DNA損傷修復與突變發生的分子機理;結合新一代測序技術等最新分子生物學和基因組學技術,對重要突變體的特異性狀進行遺傳分析和分子鑒定,為育種的廣泛利用和定向改良提供目的基因。二是主要農作物誘變育種關鍵技術研究:開發旨在提高基因突變頻率,拓展突變譜和引導基因變異方向的核輻射與空間誘變等新途徑,重點完善高能重離子、混合粒子場、質子、快中子等誘變因素處理靶室操作技術,建立主要農作物高效誘變技術體系;完善重要突變性狀基因的TILLING、基因分型等高通量篩選平臺,建立高效的突變體篩選技術體系。三是主要農作物誘變新材料創制:誘變創制大容量、呈梯度的主要農作物主栽品種突變庫;根據主要農作物各生態區的需求,創制產量、品質、抗病、抗逆、株型等重要性狀突變新材料。四是主要農作物優良突變新品種選育與示范:有效利用核輻射、空間誘變及地面模擬誘變等方法,與細胞工程、雜種優勢利用和常規育種有機結合,培育具有高產、優質、抗病、抗逆、早熟等優良性狀的新品種,通過試驗示范、種企結合、良種良法配套栽培技術研究等措施方式,加速新品種的推廣種植。五是誘變技術國際合作:重點開展與國際原子能機構、日本、韓國、澳大利亞、印尼等國際組織和國家的合作研究與人才交流,培養一支高水平的國際化誘變科技創新團隊,保持我國在農作物誘變育種應用方面的世界領先地位。

本項目預期至2020年創制小麥、水稻、玉米、大豆、辣椒、番茄等作物新品種15個以上,新品種在項目期內累計推廣650萬畝,創造社會經濟效益4.16億元。同時,這些新品種的種子加工與推廣將帶動種業企業的創新發展。誘變創造出的一大批優異新種質(材料),將成為常規育種等取得重大突破的關鍵基礎,以此作為雜交親本,培育在產量和品質上有突破性的優良品種,將在更大范圍內促進農作物增產。

精準研判 科學施檢 分級預警 嚴防入侵

——記“潛在入侵的畜禽疫病監測與預警技術研究”項目

保障進出境我國動物及動物產品安全貿易的需求,提升口岸檢疫把關技術水平,“潛在入侵的畜禽疫病監測與預警技術研究”項目已獲2016年國家重點研發計劃“畜禽重大疫病防控與高效安全養殖綜合技術研發專項”4550萬元經費支持,我國潛在入侵的畜禽疫病風險研判、監測與預警技術有望在2020年前取得重大突破。

本項目由中國檢驗檢疫科學研究院牽頭實施,匯集國內優勢單位21家、169名科技人員,設立“外來畜禽疫病風險分析新技術研究”“潛在入侵的畜禽疫病檢測、鑒定新技術研究”“潛在入侵的畜禽疫病口岸監測技術研究”“外來畜禽疫病現場快速檢測技術與裝備研發”“未知、變異動物疫病溯源及早期監測技術研究”和“外來畜禽疫病信息化預警和溯源技術研究”六個課題。

本項目根據外來畜禽疫病的共性和特性,擬開展以下六方面的研究:一是分析境外畜禽疫病信息,繪制風險傳入場景樹;構建基于專家研判系統的外來畜禽疫病半定量風險分析模型及定量風險分析模型,分析外來畜禽疫病隨進境動物及產品潛在傳入風險;建立外來畜禽疫病風險分析數據庫。二是研究潛在入侵畜禽疫病的現場篩查、實驗室精準檢測等技術;研究非洲豬瘟等重要畜禽疫病RPA早期檢測、激光顯微切割免疫熒光等精準檢測新技術;開展檢測方法的國際驗證;研發生物安全的標準物質并組裝應用。三是研究進境動物及產品監測抽樣框和布點選擇策略;開展基于流行病學的監測抽樣技術研究;研究口岸監測的風險不確定性,構建無疫監測抽樣模型和疫病發生監測抽樣模型;研發相關疫病的高通量監測技術并進行監測應用。四是研究外來畜禽疫病的現場快速檢測技術及試劑;研發現場便攜高靈敏的一體化檢測設備;整合應用現場檢測技術、試劑及裝備,開展口岸現場的實時在線超敏檢測和結果的自動采集上報。五是研究未知變異病原宏基因組學識別技術;構建病原體特征序列數據庫;研究優化生物信息學分析流程,建立未知變異病原的分子溯源技術;建立潛在入侵的未知變異動物疫病RPA等早期監測技術并示范應用。六是整合潛在入侵的畜禽疫病口岸及現場檢測數據、監測數據、未知和變異病原監測數據,構建進境動物及產品疫請數據庫;研究數據治理技術,構建基于檢測監測數據的進境動物及產品溯源平臺;挖掘不同維度數據的潛在聯系,構建疫病傳播態勢場景化數學模型;建立外來畜禽疫病信息化預警平臺。

本項目實施后,我國潛在入侵畜禽疫病防控體系將更加完善,風險研判、口岸檢疫把關以及溯源預警等能力都將得到明顯“升級換擋”;建立的以國家和產品類型為檢索對象的風險分析數據庫,可滿足快速通關放行對疫情研判的需求;項目研發的大力推廣應用,可實現對口岸入境的畜禽及產品檢測監測覆蓋率80%以上,病原覆蓋率90%以上;研究建立進境動物及產品疫情數據庫;搭建潛在入侵畜禽疫病信息化分級預警平臺,可滿足對90%以上進境牛、羊等畜禽以及40種以上檢疫性疫病進行場景化分級預警的要求。

為稻糧謀 藏糧于技 強優勢水稻雜交種再續力

——記“水稻雜種優勢利用技術與強優勢雜交種創制”項目

為稻糧謀。在前兩個五年計劃的基礎上,“十三五”中國強優勢水稻雜交種研究繼續獲得國家支持,整合全國45家水稻雜種優勢利用優勢單位,實施“藏糧于技”戰略,不斷向水稻更高產量沖刺,力保中國13億人口口糧安全。

項目由湖南雜交水稻研究中心牽頭實施,匯集全國各稻區45家水稻雜種優勢利用研究強勢單位、156名骨干研究人員,針對全國不同稻作生態區水稻生產實際情況、區域特色和擬解決的共性和個性關鍵問題設立了7個課題,主要從如下五個方面開展研究:一是水稻雜種優勢利用新技術、新方法研究:研究稻屬遠緣種、亞種、近緣種、生態群間優異基因利用和雜種優勢利用新技術、新方法,拓展強優勢水稻雜交種遺傳基礎;研究紅蓮型不育、光敏核不育、新型可控雄性核不育利用技術,建立安全型水稻雜種優勢利用新技術;研究適應現代農業轉變的輕簡栽培、集約化、機械化生產的強優勢雜交種新株型育種技術;二是強優勢水稻雜交種高效育種技術研究:利用細胞工程、高通量SNP標記等技術建立不同稻作區強優勢水稻雜交種親本快速選育技術;研究不同稻作區水稻雜種優勢預測與利用技術,建立和完善相應的強優勢水稻雜交種高效育種技術體系;三是水稻雜種優勢核心種群構建與資源創新:挖掘水稻高產、高光效、耐熱、耐寒、抗病蟲、重金屬低富集、養分高效等重要性狀功能基因,創建優異基因輪回選擇庫,創新水稻雜種優勢利用核心種質,創建全國不同稻作區水稻雜種優勢類群及其利用模式;四是強優勢水稻雜交種骨干親本創制:利用不同雜種優勢類群,創制各稻區強優勢突破性新材料,培育高配合力、高異交率的新型雄性不育系及強恢復系;五是強優勢水稻雜交種創制。根據全國各稻作區育種目標和生態條件,確定強優勢水稻雜交種的選育指標,利用強優勢親本大群體測配,通過生態育種、穿梭育種和規模化測試,選育聚合高產、優質、抗病蟲、抗逆等優良性狀基因的、適于現代耕作制度的水稻強優勢雜交種,并進行大面積示范與推廣。

本項目將通過水稻雜種優勢利用新技術研究和強優勢雜交種的選育和推廣應用,將快速提升水稻雜種優勢利用水平,可全面提升我國糧食的供給能力,促進農業生產的可持續發展,從而確保國家的糧食安全。本項目將以貫徹落實《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》和新時期國家糧食安全戰略為指針,按照“創新、協調、綠色、開放、共享”理念的要求,預期將研創一批產量潛力更高、綜合性狀更強的水稻強優勢雜交種。執行期間將創制強優勢水稻雜交新品種30個,預計強優勢雜交種累計示范推廣900萬畝以上,可增產糧食4億公斤左右,創造直接經濟效益達10億元以上。

同一個世界 同一個健康

——記“畜禽重要病原耐藥性檢測與控制技術研究”項目

“十三五”末我國畜禽病原耐藥性的監測和防控體系將上新臺階,“畜禽重要病原耐藥性檢測與控制技術研究”項目已獲2016年國家重點研發計劃“畜禽重大疫病防控與高效安全養殖綜合技術研發專項”4550萬元經費支持,我國畜禽病原耐藥性的監控技術體系有望在2020年取得重大突破,為應對“耐藥性”這一全球的公共問題和難題作出貢獻。

本項目隸屬“畜禽重大疫病防控與高效安全養殖綜合技術研發專項”,擬建立“監測—預警—控制”一體化的畜禽病原耐藥性監測和控制技術體系。本項目由華南農業大學牽頭實施,聯合在畜禽病原耐藥性研究方面的優勢單位如中國農業大學、吉林大學和華中農業大學等30家開展合作研究

本項目將從“監測—預警—控制”三方面開展以下研究:一是耐藥性監測技術研究:研制一批具有自主知識產權的能適用于養殖單位、高校和科研院所等不同技術平臺以及不同檢測規模的快速、高通量耐藥性檢測技術或產品,建立耐藥性監測采樣方法標準、檢測判定標準和各類耐藥臨界值標準,構建畜禽病原菌耐藥性檢測和評價標準體系。二是耐藥性預警技術研究:在建立監測技術的同時,在全國范圍內開展不同規模養殖場抗菌藥用藥和耐藥性基礎數據的大樣本調查,掌握我國畜禽病原菌和養殖環境耐藥菌的耐藥特征,并在此基礎上建立畜禽抗菌藥物使用數據庫,畜禽病原體(重要病原菌和球蟲)、養殖環境生態鏈中的耐藥菌和耐藥基因的數據庫,建立動物病原菌的耐藥性風險評估模型和環境生態風險評估技術體系,為我國建立獸藥安全評價導則和環境安全評價導則提供基礎數據和技術支持。三是耐藥性防控技術研究:主要通過研究天然植物及其提取物、生物酶制劑和微生態類制劑等新型飼用抗生素的替代產品及綜合應用技術來減少抗菌藥的使用;同時針對現有的經口給藥的抗菌藥物進行精準的生物藥劑學(BCS)分類,引導獸藥制劑研發,關注獸藥劑型設計工藝和投藥技術相結合,以獸醫臨床一線藥物及專用藥物為研究重點,以減抗增效,避免耐藥性產生為目標,開展新制劑和投藥新技術研究。此外,將獲得與現有抗生素聯合或單獨使用有效治療耐藥病原菌感染和消減病原菌耐藥性的候選藥物和新獸藥;建立其對畜禽主要病原菌感染的藥動學/藥效學同步模型,制定科學合理的用藥規程和用藥技術,延緩耐藥性的產生。

項目的實施將顯著提升我國動物疫病防控的科技創新能力,通過推廣項目研發的耐藥性防控技術,將減少我國畜禽養殖業抗菌藥物的使用量,并培養一批從事畜禽病原菌耐藥性研究的高水平人才,形成一支有國際影響力的研究隊伍,提升我國在該領域的研究水平和國際學術地位。

解析機理 創新方式 提升效率

——記“主要農作物雜種優勢形成與利用機理”項目

主要農作物雜種優勢利用在世界范圍為農作物產量的提高作出了巨大貢獻,然而雜種優勢的生物學基礎卻是國際科學界的世紀難題。過去20年的研究顯示,顯性和超顯性是雜種優勢的主要遺傳學基礎,但重要農藝性狀雜種優勢形成的機制還不清楚。

國家重點研發計劃項目“主要農作物雜種優勢形成與利用機理”,將通過比較分析雜種優勢利用最為成功的禾本科作物水稻和玉米的雜種優勢機理,在多種組學水平揭示雜種的組學特征,進而在基因水平闡明雜種優勢形成的分子機理,從而能更好地理解為什么能產生雜種優勢,怎樣才能產生強雜種優勢,使雜種優勢理論獲得突破。

前期雜種優勢組學研究主要是基于單個雜交組合,并且只限于某個組學,不能產生一個系統的組學模型來解釋雜交組合的組學特征。因此,不同雜種優勢強度的組合間是否有共同的組學特征?這種組學特征又是什么?在不考慮上位性效應時,中親優勢就是顯性、超顯性累加的凈效應,并且大量的研究證明了顯性、超顯性在雜種優勢中的重要作用。但是,顯性、超顯性效應產生的機制是什么?海量的組學數據(轉錄組,代謝組數據等)和豐富的重要基因功能信息能否用來準確預測雜種優勢?這些都是亟待回答的科學問題。

“主要農作物雜種優勢形成與利用機理”項目,將回答以下科學問題:一是主要農作物不同優勢雜交組合的組學特征;二是顯性、超顯性形成的機制;三是雜種優勢的準確預測;四是高效雜種優勢利用的新型雄性不育系及恢復系的創建。回答這些科學問題將對解析雜種優勢的生物學基礎這個生命科學界的世紀難題有所突破,并為作物雜種優勢利用提供新策略和途徑。

本項目將集中國內本領域優勢單位,以水稻、玉米、油菜和小麥四大作物為研究對象開展項目的研究。集中深入地開展雜種和親本間的基因組、轉錄組、代謝組學特征比較,建立基因組結構,基因表達,代謝物分化等多組學系統模型,從組學層面揭示雜種優勢的分子機制。本項目注重基礎理論研究成果向應用研究延伸,開展雜種優勢群分析,優化不同作物的優勢群,在宏觀層面提出雜種組合選配的基本原則,同時,建立雜種優勢預測的方法,在宏觀選配前提下,預測有潛在強優勢的雜交組合,高效選配強優勢組合。雜種穩定性優勢的遺傳基礎剖析能為選育廣適性的強優勢組合提供基因資源,使強優勢組合發揮更大的經濟效益和社會效益。雜種優勢利用系統的雄性不育系的育性恢復機制的闡明將大大利于新的不育系創制,而新型雄性不育基因的發掘和不育系的培育將可能帶來不育系繁殖和雜交種制種技術的革新。預期通過項目的實施將直接推動雜種優勢利用水平的提高,進而為保障我國糧食安全做新的更大貢獻。(來源:科技日報)