分子模塊設(shè)計(jì)育種科技體系

分子模塊是功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的可遺傳操作的功能單元。由于復(fù)雜性狀是基因與基因、基因與環(huán)境互作的產(chǎn)物，多數(shù)農(nóng)藝（經(jīng)濟(jì)）性狀受多基因調(diào)控，并具有“模塊化”特性。因此，需綜合運(yùn)用分子生物學(xué)、基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)等前沿生物學(xué)研究的最新成果，對(duì)控制生物復(fù)雜性狀的分子模塊進(jìn)行功能研究；采用計(jì)算生物學(xué)和合成生物學(xué)等手段將這些模塊有機(jī)耦合，開(kāi)展理論模擬和功能預(yù)測(cè)，系統(tǒng)地發(fā)掘分子模塊互作對(duì)復(fù)雜性狀的綜合調(diào)控潛力；實(shí)現(xiàn)模塊耦合與遺傳背景及區(qū)域環(huán)境三者的有機(jī)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，發(fā)揮分子模塊群對(duì)復(fù)雜性狀最佳的非線性疊加效應(yīng)，有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性狀的定向改良（圖?1）。因而，分子模塊育種是一項(xiàng)前瞻性、戰(zhàn)略性研究，是生命科學(xué)前沿科學(xué)問(wèn)題與育種實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，是引領(lǐng)未來(lái)生物技術(shù)發(fā)展的新方向。

為此，2013?年?11月，中國(guó)科學(xué)院布局了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”。專項(xiàng)整合了農(nóng)業(yè)生物學(xué)和育種研究的優(yōu)勢(shì)力量，共設(shè)置?4?個(gè)項(xiàng)目、12?個(gè)課題、64?個(gè)子課題和?144?個(gè)任務(wù)專題，隊(duì)伍總規(guī)模為?2?100?余人。專項(xiàng)以水稻育種為主，小麥、鯉魚(yú)等育種為輔，利用野生品種、農(nóng)家品種、主栽（養(yǎng)）品種以及優(yōu)良種質(zhì)資源，解析高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等重要農(nóng)藝（經(jīng)濟(jì)）性狀的分子模塊，揭示分子模塊系統(tǒng)解析和耦合規(guī)律，優(yōu)化多模塊組裝品種設(shè)計(jì)的最佳策略，建立從“分子模塊”到“品種設(shè)計(jì)”的現(xiàn)代生物技術(shù)育種創(chuàng)新體系，培育新型的超級(jí)農(nóng)業(yè)生物新品種，從整體上推動(dòng)我國(guó)生物育種技術(shù)的健康、快速發(fā)展，以滿足我國(guó)乃至世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大需求。

專項(xiàng)實(shí)施?5?年來(lái)，已初步建立從“分子模塊”到“品種設(shè)計(jì)”的現(xiàn)代生物技術(shù)育種創(chuàng)新體系，是顛覆傳統(tǒng)育種技術(shù)的大膽實(shí)踐和成功探索。

模塊育種理論和技術(shù)創(chuàng)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(jī)制，研究成果在?Cell?上以封面論文形式發(fā)表；水稻雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳機(jī)制研究成果有望將每一代雜交育種的時(shí)間從?8?年縮短至?3—5?年，并在?Nature?上發(fā)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(fā)表，揭示了水稻廣譜抗病與產(chǎn)量平衡的表觀調(diào)控新機(jī)制，已被廣泛應(yīng)用于抗病分子育種并大面積推廣。

模塊育種實(shí)踐方面。已解析獲得有重要應(yīng)用價(jià)值的分子模塊?67?個(gè)、分子模塊系統(tǒng)?43?個(gè)；已審定水稻、大豆、小麥和高產(chǎn)銀鯽新品種?15?個(gè)，其中國(guó)審品種?5?個(gè)；獲得生產(chǎn)試驗(yàn)新品系?16?個(gè)，區(qū)試品系?65?個(gè)，預(yù)試品系?118?個(gè)。在長(zhǎng)江中下游和黃淮稻區(qū)，“嘉優(yōu)中科”1、2、3?號(hào)以及“中禾優(yōu)?1?號(hào)”“中科鹽?1?號(hào)”等模塊新品種實(shí)現(xiàn)了水稻超高產(chǎn)、品質(zhì)改良和抗性提升的完美結(jié)合（圖?2）。在東北稻區(qū)，國(guó)審品種“中科?804”在我國(guó)東北第一積溫帶和西北地區(qū)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(dāng)前黑龍江建三江地區(qū)?3?500?萬(wàn)畝水稻抗病性退化和米質(zhì)下降的瓶頸問(wèn)題。國(guó)審品種“異育銀鯽中科?5?號(hào)”具有生長(zhǎng)速度快（生長(zhǎng)速度提高?18.20%）、抗病性強(qiáng)（發(fā)病成活率提高?13%）、魚(yú)刺少（肌間骨總數(shù)下降?9%）等優(yōu)點(diǎn)，有望在未來(lái)?3?年實(shí)現(xiàn)品種更新。

依托專項(xiàng)的重大成果，在首席科學(xué)家薛勇彪研究員的指導(dǎo)下，專項(xiàng)總體辦在《中國(guó)科學(xué)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(yú)類等方面的育種成果對(duì)專項(xiàng)進(jìn)行了概述，并介紹了作物表型檢測(cè)、種子切片等國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的分子育種相關(guān)設(shè)備，旨在展示我國(guó)在現(xiàn)代育種理論研究方面走在世界前列的成果、追趕世界先進(jìn)水平的技術(shù)應(yīng)用，以及“分子模塊設(shè)計(jì)育種”對(duì)指導(dǎo)未來(lái)作物遺傳改良的重大戰(zhàn)略意義。