科学视点

冯献忠:实现大豆“定制化”生产

冯献忠介绍实验室里陈列的不同品种的大豆标本。辛雨摄

  “这是最新审定通过的高油、高产大豆新品种,个个株高、粒大。”中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员冯献忠向《中国科学报》介绍了实验室里陈列的不同品种的大豆标本。

  日前,冯献忠团队通过分子设计育种技术选育的大豆新品种“东生118”“东生119”“东生120”,以及与吉林省吉林市农业科学院合作选育的大豆新品种“九农403”,通过了吉林省农作物品种审定委员会审定。这几个新品种是团队通过全基因选择设计育种方案,定向改良提高大豆产量和含油量等重要农艺性状培育而成的。

  近年来,冯献忠团队在环境友好型大豆分子设计育种,以及大豆高产、优质、养分高效利用、抗病等控制大豆重要农艺性状基因的发掘等方面取得了一系列成果,尤其为改善东北黑土地作物种植结构和减肥减药提供了优良的大豆新品种。

  分子设计育种潜力大

  来自中国海关的统计数据显示,2020年我国累计进口大豆首次超过1亿吨,较2019年进口增加1182万吨。大豆产需缺口巨大,高度依赖进口,作为全球最大的大豆进口国,我国大豆稳定供应面临严峻考验。

  立足国内生产,提高国产大豆产量,逐步降低对进口大豆的过度依赖,有助于缓解国内粮食结构性短缺问题,更好地保障国家粮食安全。在种植面积难以大规模提高的情况下,提高大豆产量的另一途径,在于依靠科技力量增加亩产量。

  这就需要依靠科研人员持续攻关,选育出更多高产、稳产的优质品种,在有限的土地上持续提高大豆产量,保障国内食用豆制品供给。“采用国际上先进的品种分子设计手段,是目前实现国产大豆育种突破的最佳途径。”冯献忠说。

  2007年起,冯献忠带领团队率先在国内建立了大豆突变体数据库,开始从事大豆分子设计育种工作,试图实现大豆的“定制化”生产。

  “从国内外优良品种的培育现状与发展历史来看,分子设计育种代表着未来的方向,在大豆中明确的功能基因越多,对于开展分子设计育种越有利。”冯献忠告诉《中国科学报》。

  相较于传统育种,分子设计育种有其特有优势。冯献忠解释道:“传统育种主要靠经验。在如今的基因组时代下,我们探索的大豆分子设计育种可以通过定向选育,加快育种速度,这个方向的提升空间很大。”

  在冯献忠看来,分子设计育种的核心是在全基因组的基础上,对种子性状进行基因重塑。“分子设计育种就好比是盖房子,我们不仅要对大豆每块‘砖’的样子了如指掌,还要对每间‘房’的功能进行提前设计和规划。”

  全基因组支持择优选种

  冯献忠团队从大豆6万个基因中找到了负责生育的基因,并进行了基因控制和改良,从而培育出了改变成熟生育期的全新大豆品种。

  “我们通过分子设计手段,采用不同优良等位基因来控制大豆的性状,比如让豆荚里面结两粒或者三粒,让晚熟的品种早熟。”冯献忠表示,改良后的大豆茎秆更强、抗倒伏性好,在种植密度加大的情况下果实饱满、蛋白质含量高,从而保证了高产量。

  此外,研究团队还开发了大豆株型智能自动获取技术、大豆叶型定量分析技术、大豆荚粒数性状定量分析技术和种子形态分析和自动获取技术,实现了大豆重要农艺性状的定量分析比较。

  冯献忠介绍:“我们建立了5124份大豆表型组数据、2537份大豆重测序数据、1738份大豆转录组数据形成的多组学整合数据库,掌握了控制大豆重要农艺性状基因的7025个遗传位点。这些多组学数据为分子育种提供了理论基础。”

  针对大豆育种遗传基础狭窄及优异种质资源贫乏的问题,冯献忠团队以核心大豆骨干亲本为材料,采用物理和化学诱变的方法,创制了容量为40万株系的大豆突变群体,建立了大豆饱和基因突变库和优良变异材料库。

  冯献忠告诉记者:“我们已检测到800多万个大豆基因组新变异,98%以上的大豆基因平均有3个以上的错义等位突变,并在此基础上建立了5套高效分子标记鉴定方法、3套快速基因定位和克隆方法,以及237个开发育种可用分子标记。”

  在此基础上,研究团队克隆和鉴定了56个调控大豆高产、优质、抗逆和生育期的重要基因,选育了778份优异育种材料,为大豆新品种培育挑选出了优异材料和靶标基因。

  刷新大豆单产纪录

  2018年,冯献忠领导的国家重点研发团队培育的大豆新品种“合农91”创造了亩产423.77公斤的全国大豆单产纪录;2019年,“合农71”大豆新品种亩产447.47公斤,再次刷新纪录。

  “与玉米亩产1000公斤相比,我国大豆的平均亩产仅有130公斤左右。”冯献忠介绍,大幅刷新大豆单产纪录的主要原因之一是改良了大豆高产基因和株型结构。2020年,冯献忠团队培育的“东生104”“东生105”“东生112”通过审定,2021年“东生118”“东生119”和 “东生120”通过审定。“东生”系列分子设计育种大豆新品种的成功培育,对提高我国东北大豆产量以及实现东北大豆品种更新换代具有里程碑式意义。

  冯献忠团队将分子设计育种选育出的一批高蛋白、高产、高油大豆新品种推向了市场。去年,他们在新疆大豆适宜区结合水肥一体化技术试种的“东生104”品种,亩产超过400公斤。

  “随着大豆产量的大幅提高,国产大豆的种植效益也将提升,有利于促进大豆的大面积种植。”冯献忠认为,从生态角度来说,种植玉米等农作物代价较大,而大豆本身是固氮作物,种植大豆可实现土地可持续绿色发展。

  他表示,大豆种植面积的扩大不仅能增加吉林省的大豆产量,优化种植结构,还可推进大豆与玉米轮作,对缓解生态资源压力、保护宝贵的黑土地资源、促进耕地休养生息、提高粮食生产能力具有十分重要的作用。

  “分子设计育种技术是我们的优势,让我们有信心、有决心为国家重大战略服务。”目前,冯献忠团队正与巴西、俄罗斯及非洲等国家相关机构合作,组织实施“全球大豆改良计划”,为保障世界大豆安全供给提供“中国方案”。


微信图片_20180628014711.jpg

  官方微信