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[中国科学报]种子“宝库”为油菜加持“十八般武艺”

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油菜花海中留影   油料所提供

  在植物界,有一类作物堪称“上得了厅堂、下得了厨房”,那就是油菜。油菜用途广泛、经济价值高,适应性强,在平地和高原均能见到其身影,是全世界三大植物油来源之一。

  在过去的几十年中,科学家和育种学家们为获得产量更高、品质更优的油菜品种而不懈努力。随着基因工程和测序技术的发展,破解基因奥秘,挑选并组合优异基因来培育更优异的品种成为“新潮流”。

  不过,前提是有大量优异的种质资源。用中国农科院油料作物研究所(以下简称油料所)种质资源创新团队首席科学家伍晓明研究员的话来说,种质资源是一个“宝库”,没有作物种质资源,作物新品种选育就成了无米之炊。

  在今年4月油菜花开的季节,我国第二家“油菜基因超市”在江苏盐城开业。在这家“超市”里,油料所精选出了1650份性状优异、遗传变异丰富的核心优异种质资源,并将其全部开放共享,来自全国45家单位的230余位科技人员在超市选择了各自所需的优异种质。

  50年,全球第一

  芸薹属是十字花科植物中最具经济价值的植物类群,经过长期的自然选择和人工驯化,可用作油料、蔬菜、调味料和饲用作物等。菜籽油是我国传统食用植物油,产量占国产植物油总产量的42%以上,油菜生产在保障高品质食用油供给中具有不可或缺的战略地位。因此,油菜种质资源的保护与开发利用是提升菜籽油产量与品质的关键。

  油菜是芸薹属中几个收籽榨油作物的通称,其中甘蓝型油菜、白菜型油菜和芥菜型油菜为世界范围内最为重要的三大类型的栽培油菜。

  “油菜种质资源蕴藏着各种各样的遗传变异,有些来自自然进化,有些来自人工选择,而其中优质遗传变异是作物改良,提升作物产量、品质、抗性,以及养分利用效率和机械化水平的关键基因来源与物质基础。不仅需要收集和研究我国的种质资源,来自世界各地的种质资源也很重要。”伍晓明告诉《中国科学报》。

  芸薹属蔬菜的驯化历史告诉我们,加强对油菜资源遗传多样性的认识,并针对其特点进行价值挖掘,可为油菜综合开发利用提供坚实的物质和理论基础。

  比如,我国育种家将从日本引进的高产抗病的甘蓝型油菜品种“胜利油菜”与我国早熟白菜型油菜结合,通过杂交、诱变和系统选择等方式,成功培育出适合我国生态特点的 “半冬性”甘蓝型油菜。又比如,引入国外“双低”油菜品种拉开我国 “双低”优质油菜育种的序幕。

  伍晓明指出,种质资源是战略性物质基础,当下和未来的研究、育种和功能开发等都将长期依赖于此。我国的油菜种质资源保存量居全球第一,拥有全球最大的油菜基因资源库和油菜表型信息库。

  事实上,从20世纪70年代起,我国就在全球范围内收集油菜种质资源,尤其是产量高、抗性强的甘蓝型油菜。2001年以来,在农业农村部作物种质资源保护项目支持下,显著加大了收集保护利用,科学家从全国30个省市区和全球63个国家地区收集了9681份油菜种质资源。

  “种质资源来源于世界各地,遗传背景不同、性状各异,我们已基本了解了它们的特点以及适合的种植区域。”伍晓明说。目前已对油菜8大类,包括产量、品质、适合机械化等在内的51个性状,进行了系统性评价鉴定。

  从表型到基因

  从“表型”摸清油菜的“家底”是第一步,但由于其表型受环境影响大,很难鉴定准确,一些优异基因无法通过表型来挖掘。

  2016年5月,科技部启动了国家重点研发计划项目“经济作物优异种质资源精准鉴定与创新利用”,以油料所为牵头单位负责组织实施。“他们对精选出的1650份性状优异和遗传变异丰富的油菜核心优异种质,在我国长江上、中、下游,黄淮和云南等7个主要生态区,对30多个关键的育种性状开展了系统的规模化表型精准鉴定,并配套完成了1650份优异种质的全基因组测序与基因型鉴定。

  “通过大规模表型鉴定和全基因组测序鉴定,我们实现了油菜种质资源到基因资源的跨越,这将有利于开展分子育种。”伍晓明的理想是把最好的基因组合在一起,培育出超级品种。

  我国科学家解析破译了甘蓝型油菜基因组,并提出新型改良方式,把甘蓝型油菜野生祖先种的抗病抗逆基因导入甘蓝型油菜基因组中,创制了新一代抗病和高含油量的新种质。其中,创制的抗菌核病新种质抗病性比之前最好的品种提高了60%以上。

  “我国在芸薹属基因组研究方面处于世界领先水平。”华中科技大学教授栗茂腾告诉《中国科学报》,我国的优势特色主要在于通过远缘杂交和利用基因编辑技术创建优异种质资源、油菜杂种优势的研究利用,以及油菜重要农艺性状形成的关键控制基因的挖掘利用等。

  湖南农业科学院作物所所长李莓长期从事湖南油菜种质资源的研究和利用。她告诉《中国科学报》,种质资源库支撑着产业的可持续发展。他们利用“双低”种质资源,借助“波里马细胞质雄性不育”杂交系统对湖南地方资源进行改良,开发出高产优质高抗的国审新品种“沣油737”。此外,在“沣油737”的基础上,对湖南当地白菜型油菜种质资源又做了进一步改良,培育了早熟、特早熟以及多功能等一系列品种。

  “未来的育种家也可能利用现有优势品种的亲本继续转育,进一步提升品种质量。”李莓说。

  从资源到育种

  “中国油菜育种水平已实现了飞跃。”栗茂腾表示,油菜雄性不育系杂种优势提升产量;高含油量种质资源挖掘与育种实践大幅提升油菜含油量;菜饼也变革成为高价值的高蛋白饲料……

  尽管如此,栗茂腾坦承,油菜种质资源和育种改良还有很多工作要做。

  比如:油菜品种的平均含油量、单产、高蛋白油菜品种的开发与利用方面还存在一定差距;随着我国油菜机械化生产的需求越来越旺盛,还需进一步加强培育适合机械化生产的油菜品种。

  他呼吁,油菜研究需要通过较好的合作机制进行力量整合才能提高效率,并在国际竞争中脱颖而出。

  李莓也表示,目前油菜产业发展的主要问题在于效益低。原因一方面在于农产品价格低,另一方面在于品质还不足够理想。此外,机械化程度不高也是产业发展的掣肘。

  伍晓明的理想是,在当前农业绿色高质量发展要求下,发展环境友好、资源节约,以及具有较高机械化水平的油菜品种。他表示,过去数十年,尽管中国油菜已经实现了“双低”、高产和优质,但如今油菜品质和效益提升遭遇瓶颈期。他开始思考为油菜加持“十八般武艺”。

  油菜花还是重要的旅游资源。曾经“油菜花开满地黄”的场景已变为“满地彩”了。

  我国科学家开展了不同花色油菜新品种的选育,目前已培育和筛选出白花、杏黄花、橘黄花等20多个花色品种。今年,油料所种质资源创新团队联合江汉大学生命科学学院,利用自主创制的花期长、适应性强的白花、杏黄花、橘黄花、红花等花色油菜在湖北新洲和石首等地分别打造了“绿水青山就是金山银山”和“长江大保护”主题的巨幅山水画,再一次掀起赏花热潮,获得较高旅游价值。

  伍晓明告诉记者,“以前的收益主要是通过收油菜榨油,现在是从资源中发现价值、赋予价值,最后在希望的田野中实现价值。”

  此外,油菜还是优质饲料的原料,尤其与北方麦豆、南方水稻轮作,既不占用粮食等其他作物用地,又在增加牲畜饲料供给量的同时,有效提高了土地的利用效率。此外,特异油菜也可用于土壤改良、肥沃土壤。

  “不同的功能用途需要各种各样的基因资源,产生适应当地的资源也是长期选择的结果。未来,我们需要继续利用现代育种分子手段培育全新的材料,并与育种、生产等相结合。”伍晓明说。

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