分子育種“定制”大豆
大豆,作為重要的糧食作物,我國進(jìn)口量高達(dá)85%,自產(chǎn)率卻不足15%,而主產(chǎn)區(qū)東北的大豆產(chǎn)量則占全國產(chǎn)量的60%。促進(jìn)東北大豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展,意義十分重大。
劉寶輝和馮獻(xiàn)忠研究員領(lǐng)銜的中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所大豆分子設(shè)計育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì),近年來在不斷突破,通過分子育種的方式,試圖實(shí)現(xiàn)大豆的“定制化”生產(chǎn)。
“大豆的發(fā)育期主要與光周期有關(guān)。目前已知的10個與大豆光周期有關(guān)的基因研究,我們參與了6個,在這方面的研究處于領(lǐng)先水平”。馮獻(xiàn)忠對《中國科學(xué)報》記者這樣說。
光周期現(xiàn)象,是生物對晝夜光暗循環(huán)格局的反應(yīng)。大多數(shù)一年生植物的開花決定于每日日照時間的長短。自20世紀(jì)20年代,科學(xué)家們以大豆等作物為材料研究光周期現(xiàn)象。近百年來,人們對該現(xiàn)象的研究在模式作物擬南芥及水稻中取得了一系列的突破性進(jìn)展。
大豆是一種敏感的短日照作物。東北是我國大豆主產(chǎn)區(qū),適應(yīng)于高緯度地區(qū)種植的大豆栽培種必須具有對光周期不敏感性,否則在早霜來臨前大豆不能正常成熟,造成減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。
此前,科學(xué)家通過遺傳學(xué)方法明確了大豆生育期位點(diǎn)E1至E8及J等位點(diǎn),其中E1、E3、E4及E7與大豆光周期反應(yīng)密切相關(guān)。近年來,劉寶輝所在的大豆分子育種團(tuán)隊(duì)與國外研究者進(jìn)行相關(guān)合作,已經(jīng)完成了對大豆幾個主要生育期基因E1、E2、E3和E4的克隆。
事實(shí)上,與大豆光周期相關(guān)的研究,最終是為了服務(wù)于大豆的分子設(shè)計育種工作。
科研人員告訴記者,從國內(nèi)外優(yōu)良品種的培育現(xiàn)狀與發(fā)展歷史來看,分子設(shè)計育種代表著未來的方向,在大豆中明確的功能基因越多,對于開展分子設(shè)計育種越為有利。大豆光周期基因的研究不僅可以使科學(xué)家能直接用于分子設(shè)計育種,而且還對大豆中與產(chǎn)量及品質(zhì)性狀的研究提供成功的范例。
我國大豆生產(chǎn)當(dāng)前處于一個重要時期,國內(nèi)大豆種植面積逐年下降,國內(nèi)生產(chǎn)總量占國內(nèi)總消費(fèi)量的比例越來越小。究其原因,大豆的種植不但受到其他高產(chǎn)高效益糧食作物影響,而且還與國外廉價的轉(zhuǎn)基因大豆的大量進(jìn)口有關(guān)。如果科學(xué)家能夠成功揭開大豆光周期的奧秘,將有可能推動大豆種植邊界的前移和種植面積的擴(kuò)大。
馮獻(xiàn)忠說“傳統(tǒng)育種是要靠經(jīng)驗(yàn),但我們想推動大豆的育種進(jìn)入基因組時代。這樣不但可以加快育種的速度,還可以人為操作。2010年,大豆的基因測序基本完成,意味著這個方向大有可為”。目前他們在進(jìn)行大豆功能基因組的研究,已經(jīng)建立了40萬個樣本的大豆突變體庫,研究其每個基因的功能。
馮獻(xiàn)忠說“目前,我們所做的分子設(shè)計育種,是先有方案后有產(chǎn)品。比如,我們已經(jīng)能夠通過技術(shù)控制豆莢里面結(jié)2?;蛘?粒。一些晚熟的品種,通過我們的分子設(shè)計手段,也能讓它早熟”。
科技的作用最終還是要服務(wù)于國計民生。在探索分子育種的同時,劉寶輝和馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)也不斷研發(fā)新的大豆良種。
自20世紀(jì)80年代開始,中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所就開始進(jìn)行大豆的育種研究,目前已有11個品種問世,在黑龍江大豆主產(chǎn)區(qū),該所的大豆品種占據(jù)了一定的優(yōu)勢。2014年,該所研發(fā)的東生77號在哈爾濱市獲得大面積推廣,進(jìn)一步提高了大豆產(chǎn)量。
目前,相較于玉米,大豆在東北的種植面積在逐漸減少。這是因?yàn)榉N植玉米的收入相較于種植大豆收入要高出100元/667m2左右。但馮獻(xiàn)忠認(rèn)為,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)當(dāng)是本身具有自我修復(fù)和平衡的穩(wěn)定系統(tǒng),大豆是最好的固氮植物,多種植大豆可以減少施肥。從這個意義上來說,應(yīng)當(dāng)多輪作大豆。
目前,他們的最新成果——東生77號在通過黑龍江省的審定后,將要大面積的推廣。這一新品種主打高產(chǎn)、高蛋白,營養(yǎng)價值和經(jīng)濟(jì)利益都很高。馮獻(xiàn)忠希望,能夠借此使大豆種植戶得到實(shí)惠。
近期,他們培育出的大豆品種東生10號正式獲得農(nóng)業(yè)部國家農(nóng)作物品種審定委員會頒發(fā)的國家農(nóng)作物品種審定證書,這是中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所培育的大豆東生系列品種獲得的第4個國家農(nóng)作物品種審定證書。
據(jù)了解,東生10號是高油型中早熟春大豆品種,北方春播生育期117 d。單株有效莢數(shù)37.1個,單株粒數(shù)85.6粒,單株粒重15.9 g,籽粒粗蛋白含量38.45%,粗脂肪含量22.06%。該品種曾于2011、2012年參加北方春大豆中早熟組品種區(qū)域試驗(yàn),2年平均產(chǎn)量190.1 kg/667m2,較比照增產(chǎn)3.4%,2013年生產(chǎn)試驗(yàn),平均產(chǎn)量186.1 kg/667m2,較比照增產(chǎn)3.0%。該品種的推廣,將有望給大豆種植戶帶來更多的福利。
我國是大豆的原產(chǎn)地,是世界上著名的大豆生產(chǎn)國,北自黑龍江省呼瑪縣,南至西沙群島,東起烏蘇里江和臺灣,西迄新疆喀什和西藏察隅,均有大豆種植。但因?yàn)闇囟?、水分、光照等因素的差異,目前南北方種植的大豆不大相同,不能互通。展望未來,馮獻(xiàn)忠希望,在理想狀態(tài)下,通過對10個基因的改良,讓南方和北方的大豆都可以相互種植。當(dāng)然,這一切需要科研人員更多的努力。
(摘編自《中國科學(xué)報》)