前言
保障國家糧食安全，生物育種技術是關鍵支撐。當前，我國生物育種基礎研究取得顯著進展，國際頂尖期刊論文發(fā)表數(shù)量全球領先，但核心技術的產業(yè)化應用仍存在短板。面對新形勢新挑戰(zhàn)，中國生物育種如何突破瓶頸、加速發(fā)展？
中國作物學會理事長，中國農學會副會長，岳麓山實驗室學術委員會主任，中國工程院院士萬建民提出構建科研、產業(yè)深度協(xié)同的“雙輪驅動”體系。該體系究竟如何加速種業(yè)核心技術轉化應用，打通從實驗室到田間的“最后一公里”？
萬建民院士在第二十七屆中國科協(xié)年會主論壇上作主旨報告
1、回應國家需求的生物育種
生物育種 肩負著回應國家重大戰(zhàn)略需求的使命。
第一是確保國家糧食安 全。2024年我國糧食產量雖創(chuàng)歷史新高，達到1.4萬億斤，但進口量仍超過1.58億噸，對外依存度高達19%，這說明糧食安全仍然是國家重大的戰(zhàn)略需求。目前我們人均糧食占有量已經超過500公斤，比世界平均水平高出100公斤，這是過去難以想象的成就。聯(lián)合國糧農組織把糧食安全分成三個階段：第一階段是數(shù)量的保障，第二階段是質量的保障，第三階段是保障食物的營養(yǎng)與滿足消費者的多元化需求。事實上，我們國家仍然處于第一階段數(shù)量的保障，質量保障還沒有完全實現(xiàn)，這是糧食安全方面需要關注的首要問題。
第二是提高國民營養(yǎng)健康水平。我們國家處于高度發(fā)展時期，公民的消費呈現(xiàn)兩極分化：一方面是營養(yǎng)過剩，另一方面仍然存在“隱性饑餓”（即礦物質和微量元素缺乏）。根據(jù)《2023中老年營養(yǎng)第四餐藍皮書》顯示，中國是世界受“隱性饑餓”問題嚴重挑戰(zhàn)的國家之一，“隱性饑餓”對國家發(fā)展和國民健康構成潛在威脅。
第三是保障農業(yè)生態(tài)安全。目前我國農業(yè)生態(tài)安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)，單位面積化肥、農藥使用量是美國、歐洲的2-3倍。同時，人均水資源占有量僅為世界平均水平的四分之一，加上病蟲害頻發(fā)，亟需培育抗病蟲、抗旱、養(yǎng)分高效利用、水資源高效利用的新品種。
第四是增強國家農業(yè)競爭力。跨國公司正加速壟斷全球種子市場，65%份額被5家跨國公司掌控，2024年全球種業(yè)十強中，僅一家本土企業(yè)（第8位）。我們國家在基因編輯工具、全基因組選擇核心算法等原創(chuàng)核心專利上仍然處于落后的狀況。當前我國良種對糧食增產貢獻率約45%，低于美國的60%，還存在差距與發(fā)展空間。
因此，必須從種質資源、基礎研究、基因資源、育種技術、創(chuàng)新種質等方面進行全鏈條創(chuàng)新，培育高產穩(wěn)產、優(yōu)質健康、競爭力強的新品種，保障國家糧食安全。
2、生物育種技術的演進與突破
全球農作物育種大概經歷了兩次重大的革新，特別是以水稻為代表的植物育種，其技術創(chuàng)新經歷了兩次重大變革，50年代矮化育種和70年代雜交育種。而這兩次都是由中國人引領的。第一次是廣東農科院的黃耀祥院士在20世紀50年代就開始培育半矮稈品種，把水稻株高從160公分降到了90公分，實現(xiàn)了半矮化育種，這比國際上所謂的“綠色革命”早了八年。第二次是以袁隆平先生為代表的中國科學家們，通過發(fā)現(xiàn)雄性不育系，利用野生稻實現(xiàn)了水稻三系配套，成功應用了雜交水稻技術。
發(fā)展到后期的分子育種和設計育種階段，我們國家在生物育種領域基本上是緊跟世界步伐的。我們水稻、小麥的育種處于比較高的水平，大致是領先的位置，但在玉米、大豆方面仍然存在差距。
生物育種的基礎研究，主要是圍繞優(yōu)質種質資源的形成與演化、重要性狀形成的遺傳基礎、多性狀協(xié)同改良等方面展開，貫穿從資源、基因到種質的全鏈條創(chuàng)新。
在種質資源鑒定方面，近年來從單一環(huán)境轉向多環(huán)境鑒定，組學技術的應用驅動基因型鑒定向高通量、精準化方向發(fā)展。人工智能技術被用來預測優(yōu)異種質，全景組學已經成為系統(tǒng)解析優(yōu)異種質的重要方向。
我們可以看到基因資源的深度挖掘經歷了這樣的發(fā)展：從上個世紀1900年經典遺傳學孟德爾遺傳規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，到50年代DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)，再到分子標記定位、基因克隆、全基因組關聯(lián)分析、資源精準鑒定，進入21世紀后發(fā)展到泛基因組、全景組學，直到近年來人工智能的飛速發(fā)展，使得基因挖掘的效率大幅度提高，趨向智能化。
在這個背景下，很多跟產量性狀相關的基因、抗病蟲的基因、抗逆（抗不良環(huán)境）的基因、資源高效利用的基因被挖掘和利用。泛基因組的構建成為挖掘重要基因的有力手段，大幅提升了基因挖掘的效率。
AI驅動基因資源挖掘向智能化、規(guī)模化方向發(fā)展，也取得了比較好的進展。過去是單一性狀的改良，現(xiàn)在多性狀協(xié)同改良已經成為重要方向，包括基因的一因多效、多基因平衡表達、多性狀協(xié)同改良，特別是基因型與環(huán)境互作的研究，都取得了新的進展。
生物育種技術包括了底盤技術和前沿技術。底盤技術包括表型鑒定、單倍體育種、遺傳轉化、智能設計。前沿技術包括轉基因、基因編輯、合成生物、基因組選擇。近年來，規(guī)?；?、智能化、精準化、工程化的育種發(fā)展，使得育種技術迭代升級迅速突破，加快了生物育種的發(fā)展。
作物育種前沿技術也取得了突破。比如轉基因育種技術使得多基因疊加、精準表達調控成為可能，多基因聚合和多性狀疊加已經成為轉基因產品研發(fā)的主要方向；基因編輯育種技術實現(xiàn)了從單基因到多基因、單類型編輯到全類型編輯、小片段編輯到大片段編輯的跨越；全基因組選擇技術在預測模型智能化、遺傳評估精準化方向取得突破……
可以說，生物育種已經進入“BT（生物技術）+IT（信息技術）”的智能設計時代。我們國家已經開始從傳統(tǒng)育種向新一代育種方向邁進。
3、中國生物育種的成就與挑戰(zhàn)
大量植物基因組的研究是由中國科學家完成的。例如水稻產量性狀相關的基因，絕大多數(shù)都是由中國人克隆的。截至到目前，今年植物領域三大頂刊Science、Nature、Nature Genetics上發(fā)表的農作物相關論文，70%以上是由中國科學家完成的。我們發(fā)表了這么好的論文，那我們面臨的挑戰(zhàn)是什么呢？
生物育種基礎研究原創(chuàng)性不足，基礎研究與育種應用結合不夠緊密。如果產業(yè)化應用沒有突破，大部分科學家集中在基礎研究，就難以形成產業(yè)。因此，我們在育種理論方法上的創(chuàng)新能力仍然偏弱。
另外我們的生物育種技術創(chuàng)新緊跟國際前沿，包括雜種優(yōu)勢利用、基因組選擇、倍性育種、細胞與染色體工程等方面處于國際領先地位，在轉基因和基因編輯技術創(chuàng)新方面實現(xiàn)了國際并跑，但原始創(chuàng)新能力仍有差距。
轉基因育種創(chuàng)制了一批重大產品，例如，我們是全球最早擁有抗蟲水稻品種的國家之一，抗蟲轉基因玉米對玉米螟和草地貪夜蛾也有較好抗性。耐除草劑大豆也培育成功了。但目前這些產品推廣速度仍然比較慢。
我們建立了成熟的基因編輯育種技術體系，最近自主開發(fā)的基因編輯工具Cas12i，對水稻、小麥、大豆的編輯效率已經達到了可規(guī)模化應用于育種的效率。還建立了自主基因編輯工具的衍生技術體系。最近中國科學家發(fā)現(xiàn)了全新的依靠RNA的DNA編輯酶，這有望使我們在整個基因編輯領域處于領先位置。
因此我們面臨的挑戰(zhàn)是核心技術專利缺乏，短板依然突出。我們國家是生物技術研發(fā)大國，但不是核心技術策源地，也就是說我們模仿相對多，原創(chuàng)的研究相對少。重大新品種創(chuàng)新能力也需要進一步提升。
種業(yè)企業(yè)育種創(chuàng)新能力亟待提升。目前中國種業(yè)市場容量約1400億元人民幣，但種業(yè)企業(yè)多達8000到9000家，市場分散，企業(yè)創(chuàng)新能力比較弱，對科技投入不足，種業(yè)的科技創(chuàng)新體系仍然不夠完善。歐美的種業(yè)市場經過一百多年發(fā)展，形成了完善的體系，資源、技術、品種選育都已實現(xiàn)產業(yè)化。在這個研發(fā)體系中，企業(yè)投入育種技術和產品研發(fā)，資源和基礎研究由政府投入，并通過完善的知識產權保護法律體系來保障。我們在這方面還沒有形成這樣一個完善的創(chuàng)新體系，種業(yè)知識產權保護仍有待加強。
因此，我們必須把握發(fā)展機遇，積極推動有組織的科研，推動生物育種的發(fā)展。
4、推動生物育種的破局之道
首先，要建立“雙輪驅動”的現(xiàn)代種業(yè)科技創(chuàng)新體系。什么是“雙輪驅動”？就是基礎研究跟產業(yè)化緊密結合，科研單位跟企業(yè)有機協(xié)同。這種科技結合的創(chuàng)新體系，目前缺一不可。全部依靠科研單位，沒有企業(yè)就形不成產業(yè)；但全部依靠企業(yè)，目前仍有困難。必須通過科企結合來推動整個創(chuàng)新體系的完善。
第二，要加強基礎研究。強化種源基礎研究，加固理論基礎。目前農業(yè)領域的基礎研究仍然是相對薄弱的，需要進一步加強推進。
第三，要突破關鍵技術，構建高效生物育種技術體系。我們看到人工智能、大數(shù)據(jù)對推動多個產業(yè)起到了重要作用，在生物育種領域也要推動多學科交叉融合，進行系統(tǒng)性改良，因為育種本身就是一項非常重要的系統(tǒng)工程。
第四，要培育新一代的農作物品種。過去所有的育種都是以產量為主要目標，相對忽視了品質。過去我們只追求產量，現(xiàn)在必須把品質和產量同時考慮。此外，還要推動培育抗病蟲、耐寒、耐鹽堿、對環(huán)境友好的品種。同時，還要推動面向特殊人群的功能性品種開發(fā)，例如適合糖尿病人的低糖品種、適合腎臟病人的低異構蛋白品種。推動培育適應機械化、現(xiàn)代化管理體系的品種。
生物種業(yè)是國家戰(zhàn)略性、基礎性產業(yè)。當前，新一輪種業(yè)科技革命正在興起，發(fā)達國家以及跨國企業(yè)集團愈發(fā)重視生物種業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，并成為提升國家競爭力的戰(zhàn)略舉措。生物育種是種業(yè)創(chuàng)新的核心。因此，我國必須加大生物育種與產業(yè)化力度，突破關鍵技術瓶頸，培育戰(zhàn)略性新興生物產業(yè)，保障國家糧食安全。
來源丨中國科協(xié)之聲（根據(jù)萬建民在第二十七屆中國科協(xié)年會主論壇上的主旨報告整理）
南方農村報丨農財寶典
