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2021年03月25日

诱导系提纯基因 油菜育种效率提高2到3倍

成都市农林科学院羊马试验基地,工作人员正在油菜基地忙碌 本报记者 张青青 摄

春分过后,成都市农林科学院崇州羊马基地,田地里的油菜花期接近尾声,已经结籽的油菜,有的苗条纤长,有的矮小粗壮,也有结满菜籽的弯下了腰……在市农科院作物研究所副所长、油菜专家付绍红看来,它们的品质优劣高低立现。

“这些油菜都不是拿来吃的,他们是育种试验难得的宝贵材料。”不同于一般的油菜,这些都是通过油菜双单倍体诱导系材料方法种植出来的材料。除了PK长势,科研人员后期还要对菜籽的含油量、抗病性等指标进行比选。

“与传统育种技术相比,通过油菜双单倍体诱导系材料方法能够实现从经验育种到定向高效的精确育种转变,育种效率提高2-3倍。”付绍红自豪地说。

油菜双单倍体诱导系材料方法,被誉为育种中的“高铁技术”,这套方法体系也被全国45家大学及科研机构引进使用。该方法体系获得国家发明专利10项。申请国际PCT专利2项,进入美国、欧盟、加拿大、澳大利亚、日本、韩国、印度、泰国。该成果被列为“十三五”科技部7大作物育种项目,油菜领域两个突出标志性成果之一。

通过该方法体系,选育的第一个突破性油菜新品种旺香油1881,将在今年9月上市推广。

技术卡脖子

染色体加倍提升产量失败

“这株油菜是不育体材料”“旁边这些是四倍体材料”“这些是六倍体”“这个是八倍体”……带着记者在油菜地里穿梭,付绍红滔滔不绝,如数家珍。

都是绿色的秆,都开着黄色的花,都结着绿色的籽,怎么看出它们染色体之间的区别?“几倍体就说明它有几套染色体,和它们打交道近20年了,早就对它们的性状特征了如指掌。”付绍红说,一个新品种的成功选育,往往是一个漫长的过程,一片田中,实验材料成千上万,可成功的几率却极低,往往到最后找到那么一两株有希望的,送去一检测,个别关键指标还不达标。

为何如此“悲观”,还要从他们一次次的失败经验说起。

为了选育优质的油菜品种,早期阶段,市农林科学院到全国各地收集了成千上万个油菜育种材料,经过一代又一代杂交、回交,聚合优势基因,最后形成骨干亲本。“这项工作越扎实,基因库越丰富,育种时选择面就越宽,就越容易选育出突破性品种。”在付绍红看来,注重挖掘有特异性的性状、基因,有丰富优异的种质资源和强大的基因库,是选育出好种子的基础。

选育过程中,付绍红和他的团队发现:二倍体油菜加倍到四倍体油菜后,种子产量有明显提升。这会不会意味着染色体倍数越高,油菜产量就越好?顺着这个方向,付绍红带领团队开启了为油菜“加倍”的探索。

2011年,当二倍体和四倍体油菜通过人工染色体加倍成六倍体材料,再加倍到八倍体材料的时候,所有人都激动不已。“本以为会创造奇迹。”2012年大春生产的时候,他们在基地播下了希望的种子,团队全体成员满含期待。刚出苗的时候,长势喜人,直到3个多月后,大家发现这两类材料长势较旁边普通油菜慢,付绍红开始有些忐忑不安,但仍抱着一丝微弱的希望。在那之后,他去基地的频次增加了,从每周一次到隔天一次。次年3月初,备受期待的“六倍体”“八倍体”油菜成形了,竟然比正常油菜矮了1/3,各项数据也不尽如人意。

“失败了,但是不能泄气。”付绍红认为,“科研人员的探索精神正是不断在失败中寻找希望。”

发现诱导系

油菜育种坐上了“时光机”

“新希望就在当下这片田野上。”在付绍红的提示下,记者注意到,不同的油菜田块里,立着“八倍体油菜诱导系Y3380”“六倍体诱导系Y3380”……各种诱导系的牌子,这些油菜看起来和普通油菜并没有太大区别,只是个头略微矮一点。

“这些可不是普通的材料,它们主要是用来提供‘精子’的。”付绍红介绍,植物育种就和人类生孩子一样,植物育种中的杂交育种就像人类的混血儿。与人类不同的是,为了使杂交优势得到最大化的体现,植物杂交育种多了一个步骤,即植物的父本、母本自交等位基因纯合的过程。

植物的父本、母本自交纯合类似近亲繁育,有出现不好结果的可能,但同时也会使自身的基因纯度越来越高。父本母本基因越纯合,杂交优势越强,但实现的过程却不是一件容易的事情。“以传统的育种方式,油菜‘基因提纯’大概需要经历8至10代的时间。”付绍红说,一代就是从油菜种子种下到最后结果枯萎所经历的全过程,相当于是1年,8至10代就是8到10年,周期实在太长。

2012年,在四川省作物学会一场学术交流会上,一篇玉米诱导系案例分析的交流发言,让付绍红觉得脑洞大开。但是,油菜的“诱导系”在哪里?

机遇总是垂青有准备的人!2011年3月,付绍红在一株经人工加倍处理的油菜植株上,发现一个分枝的花朵明显异常,直觉告诉他这个分枝应该是个多倍体。随后,他对这个分枝进行了自交,并取了样本,给了一个不育系授粉。不育系自身是没有花粉的,需要外界授粉才能繁育下一代。结果,第二年这个特殊的花与不育系授粉结的种子,也是不育的,付绍红因此怀疑这朵特殊的花有诱导功能。

“这也许就是我们做梦都想找到的油菜诱导系啊!”这让付绍红格外兴奋,之后他带领团队进行了多次试验,又花了三四年时间,成功发现油菜诱导系材料。

诱导系的成功,大大提高了新材料的创制速度。过去,选育1个油菜自交系,要连续自交8—10代或更长时间;现在,使用这项技术,快则1年2代就可以选育出纯合自交系,进而用于优良杂交种的组配,育种效率提高2-3倍。

如今,这套方法体系,被全国45家大学及科研机构引进使用,被华中农大傅廷栋院士评价为国际上首次报道,并不断拓展其应用范围,该项研究达到了国际领先水平。该方法体系获得国家发明专利10项,申请国际PCT专利2项,现已进入美国、欧盟、加拿大、澳大利亚、日本、韩国、印度、泰国,为擦亮“成都造”农业科技成果注入了新动能。

创制强优势组合

诱导系首个突破性新品种即将上市

创新创制方法,并不意味着育种这件事就能够走捷径。

不同于普通油菜,羊马基地试验田里的油菜不仅“戴帽子”,植株上还挂着牌子……“那是它们的身份证,我们给它们每一株材料都编了号,通过二维码还可以溯源到它们的‘父母系’。”付绍红说,能够领到牌子的都是精英,没有挂牌子的油菜属于被淘汰的材料。

目及之处,40多亩地全都种满了油菜,这得有多少株?付绍红给记者算了下账,“基地里每年会有5000多份不同材料的种子,大概有10万株材料,在抽薹至开花的时候它们会迎来第一轮海选,淘汰率高达50%,所以最后留下来领到名牌的只有5万株。”

5万株!要一株一株去雄、授粉,套上实验袋,科研人员往往天一亮就下田,忙到月色朦胧,晚上还得整理登记,没有一刻能停下。“费时费力,非常繁琐,没耐心干不了这个活。”“而且千万不能停下!”付绍红表示,“一般4月底5月初,我们就要完成收割,再把种子带去马尔康高山上继续播种培育,油菜在马尔康生长期间,科研阵地从田里转战到实验室,对平坝地区的材料进行基因检测,录入数据,每天1000份,要持续整整2个月。”

功夫不负有心人。万千基因排列组合中,恢复蓉系C3797,F6代经3380诱导稳定选育而来的一个杂交种——旺香油1881,它的最终检测数据让所有人兴奋:比德油6号增产15%,比蓉油18增产8.8%,含油率48.45%……

“选出旺香油1881这个品种,我们花了3年时间,这在以前是无法想象的。”付绍红说,这也是通过诱导系方法,在2019年选出来的最成功的品种,该品种最大特点就是高产、稳产,实现亩产200公斤以上,适合在四川及长江上游区冬油菜产区种植。目前,已经过两年试验田的试验试种,最快今年9月,这个品种将上市推广。

记/者/手/记

致敬辛勤付出的种业人

一般油菜有2倍体和4倍体,也就是自身拥有2套或者4套染色体。试验时,用2倍体和4倍体杂交,得到了3倍体。对3倍体使用秋水仙素加倍后,就会变成6倍体……从这些专业术语中,才真正感受到付绍红确实是个穿“白大褂”的科研人员。他说话既有激情,又富条理,听他介绍,能很快明白油菜育种为什么重要,他们在这方面又做了哪些工作。

关心花开多久的是市民,关心产量多少的是农民,关心油菜育种的是许许多多的“付绍红”。在如此需要耐心和守得住寂寞的工作中,他们做的是为农民增产增收,为我们的餐桌增添更多的选择。在他们眼中,那些植物、农作物是有生命的,它们会开花、结果、授粉,甚至会生病。

为甘于奉献、埋头苦干的“种业人”点赞!

本报记者 粟新林 制图 申娟子

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