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基因组学引领生物育种变革

2020-02-20 08:48:06 《科学种养》 2020年2期

基因组学引领生物育种变革

记者从近日举行的第五届国际农业基因组会议暨深圳国际食品谷研讨会上获悉,现代农业研究已迈入生物组学大数据时代,特别是基因组学及其衍生技术在生物育种中发挥着重要的引领作用。

基因组学是对生物体所有基因进行集体表征、定量研究及不同基因组比较研究的一门交叉生物学学科。基因组学主要研究基因组的结构、功能、进化、定位和编辑等,以及它们对生物体的影响。农业农村部种子管理局巡视员周云龙指出,农业基因组学技术,在种业领域,不仅能大幅提高传统育种效率、设计“定制作物”,而且可为食品安全和生物安全服务,利用合成基因组学技术还可能颠覆农业生产格局。

中国农科院农业基因组研究所所长黄三文研究员用一个形象的比喻来描述:“打个比方,育种好像在一个黑屋子摸索,传统育种打着手电靠育种家的火眼金睛,而基因组学点亮了一盏灯,帮你看到房间全貌,这样育种的效率大大提升了!”

利用基因组学、蛋白组学、代谢组学等技术手段,可以探明农产品贮藏、加工过程中色、香、味、形等品质形成机理,加工过程对食品营养组分消化、吸收及代谢等作用机制,全面解析食用农畜产品的营养组分及转化规律,筛选主要农作物与畜禽产品的营养品质性状调控及代谢关键基因,进行靶向设计与定向导入,实现高品质精准功能育种。比如,我国已经实现了番茄的“种质资源收集-基因组测序与分析-功能基因挖掘-分子设计育种-品种推广”全产业的创新链条,培育出美味番茄新品种。

黄三文长期从事番茄基因组研究,科研团队完成了360份番茄品系的变异组研究,阐明了人工选择如何改变番茄基因组,为种质资源的育种应用提供了理论框架。又与国际团队合作,确定了33种影响消费者喜好的主要风味物质,揭示了番茄风味的物质基础和遗传改良路径,为培育美味番茄提供了切实可行的育种方案。在上述研究的基础上,黄三文团队整理和收集了番茄育种不同历史时期具有代表性的品种,通过生物信息学分析,利用骨干亲本全基因分析开发了美味番茄的背景选择芯片,用于在育种中保持现有主要亲本的良好遗传背景。之后,通过传统育种与分子标记相结合的方法,创制了第一批美味番茄的优良品种“深爱1号”和“深爱2号”,实现了美味番茄从基因组设计到合成育种的战略构想。

中国农科院农业基因组研究所农艺师吕亚清告诉记者,“深爱1号”番茄含有34个美味番茄的优异位点,在育种设计之初,便是为了找回儿时番茄的味道。“深爱2号”番茄含有36个美味番茄的优异位点,皮薄,糖度可达10以上。“不用等到番茄果实成熟,幼苗阶段我们就可以进行基因标记风味选择,再进行杂交育种,这大大缩短育种周期。”

如今农业生物技术正在以前所未有的速度向前发展,特别是基因组学及其衍生技术正在影响全球农业产业发展。我国是世界上较早启动农业基因组学研究的国家之一,在水稻、黄瓜、番茄等农作物基因组学等领域研究水平已居世界前列,由我国科学家主导完成了70%左右的重要农作物的基因组测序与分析工作,克隆了大量的产量、品质、抗逆等性状基因。黄三文表示,随着生物技术特别是基因组学发展,美味番茄的育种路径将会越来越多复制到其他农作物、畜禽品种,也会有更多的美味蔬菜瓜果畜禽肉蛋,通过精准设计培育出来,让传统农产品焕发出新活力。

中国科学院院士李家洋在会上指出,现代农业的可持续性发展,人类的食品营养和健康,将愈发依赖生物组学大数据技术的进步。会议建议,我国要把握现代农业和未来食品研究进入生物组学大数据时代的重要战略机遇,尽早布局,充分融合全基因组设计育种、个性化食品开发等技术,通过数据平台和智能设计研发农产品新品种和个性化营养食品。

我国土壤污染治理取得积极成效

2019年11月29日,生态环境部举行新闻发布会,介绍土壤生态环境保护相关问题。生态环境部土壤生态环境司相关负责人介绍,《土壤污染防治行动计划》发布实施3年来,中央财政土壤污染防治专项资金累计下达280亿元,土壤污染加重趋势得到初步遏制,“净土保卫战”取得积极成效,农用地土壤环境状况总体稳定。

2016年5月,国务院发布实施《土壤污染防治行动计划》。根据《土壤污染防治行动计划》,中央财政设立了土壤污染防治专项资金,2016年以来累计下达280亿元,有力支持了土壤污染状况详查、土壤污染源头防控、土壤污染风险管控和修复、土壤污染综合防治先行区建设、土壤污染治理与修复技术应用试点、土壤环境监管能力提升等工作。

2019年1月1日,《土壤污染防治法》正式实施,这是我国第一部土壤污染防治领域法律。《土壤污染防治法》规定设立省级土壤污染防治基金,土壤污染防治专项资金支持范围也包括支持设立省级土壤污染防治基金。

生态环境部土壤生态环境司司长苏克敬在新闻发布会上谈到,为确保农用地环境安全,保障居民粮食安全,让老百姓吃得放心,着重从两个方面开展工作。

一是强化污染源头防控。《土壤污染防治行动计划》发布實施后,生态环境部会同有关部门进一步组织开展了涉镉等重金属重点行业企业排查整治行动,共排查企业1.3万多家,确定需整治污染源近2 000个。截至目前,已有近700个完成整治,切断了污染物进入农田的链条,取得明显成效。二是推进农用地安全利用。配合农业农村部开展农用地分类管理和受污染耕地安全利用工作。据了解,农业农村部牵头组织在部分省(区、市)开展了农用地土壤环境质量类别划分试点,及农用地安全利用和治理修复试点示范等工作,为推动受污染耕地安全利用探索道路、积累经验。

2017年7月,全国土壤污染状况详查工作全面启动。本次农用地详查历时两年,农用地详查主体工作现已完成。结果表明,我国农用地土壤环境状况总体稳定,部分区域土壤污染风险突出,超筛选值农用地安全利用和严格管控的任务依然较重。目前各地正依据详查结果开展农用地分类管理、推动安全利用。

智能水肥一体化 节水减肥技高一筹

“有收无收在于水,收多收少在于肥”。水肥是农作物产量和品质形成的物质基础,水肥管理水平与农业生产和农户收益息息相关,如今水肥一体化技术的大面积推广,让农民种地更轻松、管理更简单、收入更丰厚。日前,在广西南宁举办的全国水肥一体化技术培训班上,全国农技中心副主任王福祥透露,水肥一体化在全国应用面积超过了1亿亩,已成为设施农业的标配技术、园艺作物的高效技术、大田作物的引领技术。

奔腾粮棉种植专业合作社位于河北省吴桥县桑园镇大第八村,合作社负责人李刚在这里流转承包了土地1 850亩,主要种植小麦,玉米等粮食作物,但收益甚微。

自2014年河北省实施地下水压采项目以来,地方农业部门支持他为800多亩地安装了高效节水灌溉设施——地埋伸缩式喷灌水肥一体化系统。“通过手机就能启动,可以把溶解好的肥料溶液通过喷头均匀地喷洒在作物上。使用起来非常方便。”李刚兴奋地介绍道,“喷灌水肥一体化系统是由浙江宁波中灌润茵节水灌溉设备有限责任公司研发,可全自动伸缩,使用完毕后,喷头自动收缩到地下40厘米深处,不妨碍大型农机使用。”

李刚为我们算了一笔账,“安装地埋伸缩喷灌系统后,玉米、小麦产量与大水畦灌模式相当,但节水40%、省肥20%~30%,每亩节省灌溉人力成本35元/次,合作社每年合计节省人力支出13万~17万元,按照设备10年使用壽命,一年省下的人工钱都够设备的投资成本了。”另外,喷灌相比过去的大水畦灌,还有利于保持土壤肥力和提高土壤质量。

广西崇左市香蕉种植面积20多万亩,产量近30万吨,是当地重要的香蕉种植基地。邓宁是当地一个香蕉农场主,管理着近5 000亩的生产基地。他每天到农场上班,并不急着下田,而是打开手机里的种田“神器”,了解作物长势,查看哪个地块需要浇水,哪个地块需要施肥,手机一按就可获取到想要的信息,非常轻松快捷。然后通过手机远程控制,就可用滴灌的方式为香蕉施水肥营养液,一般不需要下田。

广西土肥站节水科科长黄朝富告诉笔者,以前传统种植,100亩的蕉田需要10个人6天才能完成施肥工作,现在通过手机控制,1个人2个小时就可以完成2 000亩蕉田的施肥、浇水。不仅实现省肥30%、省水50%以上,还大大节省了人工,一亩地减少成本1 200元左右,同时因为精准浇水施肥,香蕉品质得到提高,又进一步增加了销售效益。

这款让邓宁推崇的种田“神器”就是由广西土肥站同广西捷佳润科技股份有限公司共同研发的“智能水肥一体化管理系统”,系统以滴灌水肥一体化为基础,通过现代传感器技术,对农田环境和作物生长状态进行实时监测,构建生产管理立体化、智能化的大数据云平台。种植户可通过智能手机等终端登录平台,对农田、大棚、温室的灌溉、施肥、通风、降温、增温、补光等农事操作实现远程自动化控制。

(以上摘编自《农民日报》,有删减)