分子模塊設計育種科技體系

分子模塊是功能基因及其調控網絡的可遺傳操作的功能單元。由于復雜性狀是基因與基因、基因與環境互作的產物，多數農藝（經濟）性狀受多基因調控，并具有“模塊化”特性。因此，需綜合運用分子生物學、基因組學和系統生物學等前沿生物學研究的最新成果，對控制生物復雜性狀的分子模塊進行功能研究；采用計算生物學和合成生物學等手段將這些模塊有機耦合，開展理論模擬和功能預測，系統地發掘分子模塊互作對復雜性狀的綜合調控潛力；實現模塊耦合與遺傳背景及區域環境三者的有機協調統一，發揮分子模塊群對復雜性狀最佳的非線性疊加效應，有效實現復雜性狀的定向改良（圖?1）。因而，分子模塊育種是一項前瞻性、戰略性研究，是生命科學前沿科學問題與育種實踐的有機結合，是引領未來生物技術發展的新方向。

為此，2013?年?11月，中國科學院布局了戰略性先導科技專項（A類）“分子模塊設計育種創新體系”。專項整合了農業生物學和育種研究的優勢力量，共設置?4?個項目、12?個課題、64?個子課題和?144?個任務專題，隊伍總規模為?2?100?余人。專項以水稻育種為主，小麥、鯉魚等育種為輔，利用野生品種、農家品種、主栽（養）品種以及優良種質資源，解析高產、穩產、優質、高效等重要農藝（經濟）性狀的分子模塊，揭示分子模塊系統解析和耦合規律，優化多模塊組裝品種設計的最佳策略，建立從“分子模塊”到“品種設計”的現代生物技術育種創新體系，培育新型的超級農業生物新品種，從整體上推動我國生物育種技術的健康、快速發展，以滿足我國乃至世界農業發展的重大需求。

專項實施?5?年來，已初步建立從“分子模塊”到“品種設計”的現代生物技術育種創新體系，是顛覆傳統育種技術的大膽實踐和成功探索。

模塊育種理論和技術創新方面。水稻耐寒分子模塊?COLD1?的深度解析闡明了作物感知低溫分子的機制，研究成果在?Cell?上以封面論文形式發表；水稻雜種優勢的遺傳機制研究成果有望將每一代雜交育種的時間從?8?年縮短至?3—5?年，并在?Nature?上發表；水稻廣譜和持久抗稻瘟病模塊?Pigm?深度解析研究成果在?Science?上發表，揭示了水稻廣譜抗病與產量平衡的表觀調控新機制，已被廣泛應用于抗病分子育種并大面積推廣。

模塊育種實踐方面。已解析獲得有重要應用價值的分子模塊?67?個、分子模塊系統?43?個；已審定水稻、大豆、小麥和高產銀鯽新品種?15?個，其中國審品種?5?個；獲得生產試驗新品系?16?個，區試品系?65?個，預試品系?118?個。在長江中下游和黃淮稻區，“嘉優中科”1、2、3?號以及“中禾優?1?號”“中科鹽?1?號”等模塊新品種實現了水稻超高產、品質改良和抗性提升的完美結合（圖?2）。在東北稻區，國審品種“中科?804”在我國東北第一積溫帶和西北地區具有重大的推廣潛力（圖?3）；以“空育?131”為底盤育成的具有抗稻瘟病、耐冷、早熟及米香特性的水稻多模塊耦合新品種“中科?902”，有望解決當前黑龍江建三江地區?3?500?萬畝水稻抗病性退化和米質下降的瓶頸問題。國審品種“異育銀鯽中科?5?號”具有生長速度快（生長速度提高?18.20%）、抗病性強（發病成活率提高?13%）、魚刺少（肌間骨總數下降?9%）等優點，有望在未來?3?年實現品種更新。

依托專項的重大成果，在首席科學家薛勇彪研究員的指導下，專項總體辦在《中國科學院院刊》組織了包含?8?篇論文的專輯，從水稻、小麥、大豆、玉米、魚類等方面的育種成果對專項進行了概述，并介紹了作物表型檢測、種子切片等國內自主研發的分子育種相關設備，旨在展示我國在現代育種理論研究方面走在世界前列的成果、追趕世界先進水平的技術應用，以及“分子模塊設計育種”對指導未來作物遺傳改良的重大戰略意義。