玉米品种的“供给侧”改良

粤甜16号田间

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粤甜16号

粤甜16号

李建生

李建生

玉米是用作粮食、饲料和工业原料的作物。起源于美洲大陆的玉米,在哥伦布发现美洲后逐步走向全世界。大约500年前,玉米通过陆路或海上丝绸之路传入中国。

中国农业大学农学与生物技术学院教授、中国作物学会玉米专业委员会主任李建生领衔的科研团队,专注玉米重要营养品质优良基因发掘与分子育种应用,取得了重要成果。

这使得玉米品种从重产量向重品质转变,也恰好顺应了我国农业供给侧结构性改革的趋势。

近日,李建生主持完成的“玉米重要营养品质优良基因发掘与分子育种应用”项目获得2016年国家技术发明奖二等奖。《中国科学报》记者对此进行了专访。

关注玉米品质改良

玉米是我国最重要的农作物之一。国家统计局公布的2016年粮食生产数据显示,玉米播种面积36759.7千公顷、总产量21955.4万吨,分别占谷物播种面积的38.95%、总产量的38.85%。

不管从面积还是产量来看,玉米均列三大主粮之首。

与此同时,玉米的2亿吨库存引人注目。“当前我国玉米出现的过剩是阶段性的、暂时的,但从长远来看,玉米仍是刚性需求。”李建生接受《中国科学报》记者采访时表示,“3斤玉米换1斤动物性产品,考虑人口增长和生活水平因素,我国对玉米的消费需求仍将保持增长的趋势。”

长期以来,人们只注重粮食产量而忽视其品质。而近年从国际到国内,人们越来越重视怎么吃更好。“联合国粮农组织(FAO)新的战略口号之一是‘粮食和营养安全’,而不仅仅是之前的‘粮食安全’,营养的观念逐渐树立起来。”李建生介绍。

玉米籽粒中的维生素A 原、维生素E 和油份是对人类健康和动物生长发育有益的重要品质性状。比如,玉米油富含不饱和脂肪酸,可作健康食用油、高能饲料原料,但人均消耗来看,美国2.3公斤,中国仅为0.4公斤。

不仅如此,就玉米育种技术而言,“本世纪初,我国玉米分子育种刚起步,与发达国家有较大的差距。大多数研究处在数量性状位点(QTL)初定位阶段,几乎没有可用于育种的分子标记”。

李建生表示。

从2002年开始,李建生领衔的团队便关注玉米品质的遗传改良。历经14年,团队将基础研究、技术发明与育种实践紧密结合,利用先进的基因组学技术,针对油份、维生素E、维生素A原3个目标性状,进行数量性状位点定位,基因克隆,并挖掘优良等位基因,开发功能分子标记,继而应用于玉米育种。

体系完整 创新性强

李建生团队开展了玉米重要营养品质优良基因发掘与分子育种应用工作,并取得了诸多成果。

团队阐明了玉米油份提高的遗传学基础,挖掘了油份优良等位基因及功能标记,开启了玉米油份分子育种的先例。

首次在基因组水平上提出优良等位基因的累加是玉米油份提高的重要遗传基础。鉴定了具有提高含油量和不饱和/饱和脂肪酸比值功能的ZmfatB,以及提高含油量功能的COPII、ACP、LACS等7个油份新基因,开发了6个功能标记。

利用油份功能标记,培育了籽粒含油量8.0%左右的新品种“中农大高油5580”。针对一个主效高油基因,利用功能分子标记辅助回交,将我国推广面积最大的杂交种“郑单958”籽粒含油量提高了26.5%,并开始示范推广。

团队挖掘了维生素E优良等位基因及功能标记,建立了分子育种体系,开辟了玉米品种育种的新方向。

定位了79个维生素E的数量性状位点,占全球定位总数的58.5%。首次克隆了维生素E数量性状基因VTE4。“我们从508份资源中挖掘到VTE4的优良等位基因,能提高维生素E主要组分——a-生育酚含量2.2倍,开发了2个功能标记。”李建生介绍。

利用功能标记培育出“中农大甜419”“粤甜9号”等5个高维生素E甜玉米新品种。“5个品种均携带ZmVTE4优良等位基因,维生素E平均含量高达61.1μg/g,比对照提高164%。”李建生说。

团队还发现了高维生素A原优良等位基因分布的遗传规律,开发了功能标记,提高了国际生物强化项目的育种效率。

定位了33个维生素A原及类胡萝卜素数量性状位点,克隆了维生素A原主要组分β-胡萝卜素数量性状基因crtRB1。李建生表示,“该基因能提高β-胡萝卜素含量6.6倍,而且我们发现该基因在温热带玉米资源的频率明显高于热带玉米,提出了利用温带玉米优良等位基因改良热带玉米的新思路。”

挖掘了维生素A原优良等位基因及开发功能标记,开发的维生素A原标记占全世界的62.5%。创制了9份高维生素A原新自交系,新自交系高维生素A原含量是普通玉米的2.8倍以上。

成果领先效益好

李建生团队丰富和发展了玉米遗传育种的理论与方法,具有重要科学意义与应用价值。首先体现在其分子育种技术提升了我国种业的科技水平及竞争力上。

记者了解到,全世界共克隆了3个油份数量基因和3个维生素A原基因,其中李建生团队就各克隆了2个,并获发明专利、用于育种,奠定了我国油份分子育种的国际领先地位。

云南省农业科学院研究员番兴明团队利用李建生团队开发的高维生素A原功能标记和材料培育了高维生素A原的新组合。国际玉米小麦改良中心也利用了该团队开发的维生素A原功能标记,开创了我国玉米分子育种技术对外输出的先例。

国际玉米小麦改良中心种质资源项目主任Kevin Pixey评价道:“这些分子标记在国际生物强化项目中的应用,是全球分子育种中最成功的例子。”

与国内外同类技术与成果相比,该团队还拥有两个“第一次”:首次挖掘维生素E优良等位基因及功能标记,高维生素E新品种是国内外首创。

团队培育了9 个营养品质优良的玉米新品种和1 个新品系,其推广应用带来了显著的经济效益。“有利于国家玉米种植结构的战略调整和增加农民收入,符合当前农业供给侧改革的方向。”李建生评价道。

数据显示,高维生素E优质甜玉米新品种2013—2015年间累计推广354.1万亩,占全国甜玉米种植面积的21.5%。按种植平均每亩增加收入800元计算,农民累计新增效益28.33亿元。

广东金作农业公司等5家企业以玉米新品种为核心技术,累计新增利润4244.4万元。

过去十几年间,李建生团队既聚焦国际科技前沿,又面对国内重大产业需求,将理论与实践、高新技术与传统技术、学科发展与人才培养相结合,成绩斐然。

仅论文一项,SCI收录31篇,其中《自然—遗传学》论文两篇,总影响因子达到136,总引用次数803,其中他引602次。

“未来十年,我希望基础研究力度更大一些,应用研究也更多一些,加强高新技术的研究,并向种子企业转移,带动种业技术升级,全面提升产业竞争力。”李建生表示。

来源:news.sciencenet.cn

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