中國科學家找到大豆“丟失”的基因破解高產“密碼”

中青報·中青網記者 邢婷 通訊員 王靜

8年來,張大健的工作一直都和大豆育種有關。

作為山東農業大學農學院青年教師,36歲的張大健教授帶領團隊成員聚焦大豆種質資源創新,在拓寬遺傳基礎、聚合優良基因、科技開發及生產服務等方面做了一系列工作。

中國科學家找到大豆“丟失”的基因破解高產“密碼”

張大健教授(中)指導學生實驗。王靜 攝

今年3月,該團隊解析了大豆進化歷程,首次獲得了多年生野生大豆的高精度基因組圖譜,高效準確挖掘了大豆基因組的結構變異,拓寬了大豆分子育種可利用的基因資源,為大豆遺傳基礎解析、馴化性狀調控基因挖掘及種質創新提供了重要理論支撐,成果在國際知名學術期刊《自然-植物》線上發表。

從野生到栽培,尋找丟失的基因位點

大豆是重要的糧油飼兼用作物,在國民經濟發展中具有重要戰略地位,但自給率較低,是我國農業領域突出的一道難題。

今年,實施大豆產能提升工程列入中央一號檔案。“創新大豆種質資源,培育優良品種,提升大豆油料產能和自給率,是解決這一難題的根本之策。”張大健說,“基因是種質創新的基礎,要想實現種質創新,必須利用先進的科技手段搞清楚大豆的基因組資訊。”

中國科學家找到大豆“丟失”的基因破解高產“密碼”

作為大豆起源國,我國儲存著世界上最豐富的大豆種質資源。栽培大豆由祖先野生大豆長期定向選擇、改良馴化而成,但在長期馴化和改良過程中,僅有少量基因資源被選擇。

據前期科研資料,從又黑又小的野生大豆到又黃又大的栽培大豆,這個進化過程中丟失了約70%的基因位點,因而在栽培大豆中產生了嚴重的遺傳瓶頸效應,極大限制了栽培大豆產量提高與品質改良。

“多年生野生大豆主要生活在熱帶和亞熱帶地區,遺傳多樣性豐富,具有較強的抗逆、抗鹽鹼、抗蟲、耐旱、耐熱等特性,是栽培大豆進行性狀改良的重要遺傳資源。”張大健說。

野生大豆的這些豐富遺傳變異,為重要農藝性狀的挖掘和育種提供了寶貴的資源,但由於其基因組龐大、重複序列多和高度雜合等特性,一直缺乏高質量染色體級別的參考基因組,更沒有泛基因組圖譜。

從野生大豆到栽培大豆,馴化過程中到底發生了什麼變化?大部分的基因位點丟失到哪裡了?張大健團隊的研究目標鎖定為解析野生大豆進化歷程,破譯大豆育種“密碼”。

誰能破解基因密碼,誰就佔領育種制高點

具體科研中,張大健帶領團隊人員制定了“兩步走”計劃:先搞基礎研究,識別高產和優質基因;再利用基因資源,實現大豆“定製化”分子育種。

“真正開始做,才知道這件事有多難。”張大健毫不避諱地說,“一粒種子攜帶的基因,決定了它的產量和品質,誰能夠破解基因的密碼,誰就佔領了育種的制高點”。

破譯大豆育種密碼,首先要收集材料,建立基因資源的“蓄水池”。

科研團隊在世界範圍內選取了5個有代表性的二倍體多年生野生大豆品種和1個自然形成的異源四倍體多年生野生大豆,進行全基因組測序,綜合利用二代、三代、Hi-C等測序技術,組裝得到了染色體級別的高質量參考基因組,首次構建了多年生野生大豆泛基因組,並鑑定出109827個多年生大豆中的非冗餘基因位點,發現其中約70%的基因位點在一年生大豆亞屬中丟失,這為大豆育種提供了豐富的遺傳多樣性基礎。

此外,團隊還鑑定出183個大片段基因組結構變異,這些變異影響著大豆開花時間、抗病性、抗逆性等重要的表型特徵。

“結構變異是指基因在染色體空間結構上出現倒位、異位等現象,可能對基因的表達或功能產生影響。”張大健解釋說,“準確解析這些結構變異對於顯著提高大豆產量、改良大豆品質等農藝性狀具有重要意義”。

該成果在《自然-植物》發表後,大豆遺傳育種學家孔凡江評價,這一研究不僅解析了大豆進化歷程,而且高效準確挖掘了大豆基因組的結構變異,為大豆的遺傳基礎解析、馴化性狀調控基因挖掘及大豆種質創新提供重要的資料支撐。

新品種帶來農民增收新希望

大豆要高產,品種是核心。

經過調研和分析,團隊將下一步的目標鎖定為利用“定製化”分子育種,培育高產和耐鹽鹼大豆。

“黃河三角洲每年新淤土地約3萬畝,尚有約280餘萬畝鹽鹼地待開發利用,利用生物技術手段改良大豆抗鹽鹼能力,創造出耐鹽新種質(系),培育出耐鹽新品種具有廣闊的產業化前景。”張大健說。

想要做好育種工作,足夠多的種質資源尤為重要。

張大健帶領團隊收集黃淮海地區內野生大豆種質資源,篩選了1000多份大豆材料,利用形態標記和DNA分子標記進行遺傳多樣性分析,透過主成分分析和聚類分析,揭示了黃淮海區域內野生大豆的分佈狀況、遺傳結構及親緣關係,最終得到顯著耐鹽鹼大豆種質材料36份、高產種質材料21份,建立起黃淮海區域野生大豆核心種質庫,為育種研發提供了樣本。

根據野生大豆核心種質庫的資訊,張大健團隊與全國最大的大豆種業公司聯合攻關,選育出兩個適宜黃淮海地區種植的高產、高油、耐鹽鹼的大豆新品種——“山豆1號”和“山豆2號”。

目前,這兩個大豆品種均已開始進行山東省夏大豆區域試驗。經田間種植“考驗”,產量遠超當前我國大豆平均畝產。豆子顆粒飽滿,出油量大,試種的農民心裡樂開了花。

一粒新種子的出現,往往意味著更高的產量和更好的經濟效益。張大健算了筆賬:高產抗逆的大豆新品種大面積推廣後,預計正常種植條件下,產量能提高10%;而鹽鹼地種植條件下,大豆產量能提高10-15%。以每畝產120公斤大豆估算,按約30%的未開發鹽鹼地種植大豆,預計每年收穫約18萬噸大豆,按每公斤8元計算,可給農民帶來約14。4億元的收入。

寒來暑往,科研工作者的艱辛付出自不待說。張大健說,從事大豆育種的那一天起,他就像所有育種人一樣,把培育優質高產品種當作自己的核心目標,為中國大豆增產,為中國農民增收,是他一直努力的動力。

【來源:中國青年網】

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