农作物基因设计育种发展现状与展望

李新海, 谷晓峰, 马有志, 邱丽娟, 黎裕, 万建民*

(1.中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081; 2.中国农业科学院生物技术研究所, 北京 100081)

当前，随着生物组学、合成生物学、计算生物学、生物大数据等前沿基础学科的快速发展，驱动生物技术与信息技术、先进制造技术和智能技术深度交叉融合，催生精准智能设计育种，推动传统育种向精准、高效、智能方向发展，使根据生产需求设计与创制新品种成为可能。本文系统分析了国际农作物基因设计育种发展态势，综述了我国科学家在作物设计育种等若干领域取得的重要研究成果，明确了我国农作物基因设计育种发展现状与面临的挑战，并对新时期我国农作物基因设计育种发展路径提出了展望。

1 国际农作物基因设计育种发展现状与态势

1.1 作物基因设计育种产业规模不断增长

自1996年转基因作物大规模商业化以来，基因设计育种产业迅猛发展。1996—2018年，全球转基因作物种植面积增长约113倍，26个国家种植转基因作物，欧盟、日本等44个国家和地区进口转基因产品，覆盖全球60%的人口[1]。目前，作物基因设计育种目标性状从单一的抗虫、耐除草剂向抗旱、养分高效利用、营养品质改良等多基因叠加复合性状方向快速拓展。相继研发出新型抗虫耐除草剂玉米、富含β-胡萝卜素的黄金大米、具有降血压和降血糖功效的水稻、高ω-3大米和大豆、富铁和富锌大米、低还原糖含量马铃薯等新产品。2018年作物基因设计育种种业市值达到219亿美元，占全球商业种子市场的30%，预计到2025年全球基因设计作物种子市值将增长10.5%[2]。

1.2 作物基因设计育种技术加速变革创新

新型转基因、全基因组选择、基因编辑和合成生物学等前沿生物技术交叉融合，形成了有效支撑作物精准改良的基因设计育种系统[3-5]。全基因组选择技术颠覆了以往表型选择和后裔测定的育种理念和技术路线，能够在得到个体基因型时即对其育种值进行评估，大幅度提高育种效率。通过基因定向编辑技术，实现产量、抗性、品质、株型、育性等育种性状的精准改良。通过人工设计与优化基因模块和线路，可以实现基因表达和整合位点的精准控制以及重要性状与环境响应的智能调控，高效合成新基因资源。

1.3 作物基因设计育种成为种业竞争热点

基因设计育种技术已成为提升国家种业竞争力的战略利器，世界各国纷纷制定发展战略，抢占生物设计育种制高点。美国发布《2030年农业研究科学突破预测》，提出基因组学与精准育种战略路径；阿根廷、巴西和墨西哥等拉丁美洲国家积极扩大基因设计技术在农业中的应用。美国等发达国家和地区加快推进生物种业基础研究和育种技术创新，争夺知识产权。截至2016年，美国获得生物技术领域专利达12 036项，远超过其他国家。大型跨国生物技术公司所持有基因专利全部进行全球专利布局。截至2018年，科迪华公司(陶氏+杜邦)的专利持有量为5 414件，排名第一；拜耳公司(拜耳+孟山都)的专利持有量为5 257件，位居第二；中国化工先正达公司专利持有量为1 004件，位居第三位，以基因设计育种为核心的技术研发成为生物种业国际竞争的热点。

1.4 作物基因设计育种重大平台驱动明显

随着以基因编辑、合成生物等为核心的前沿生物技术的兴起，美国等发达国家和跨国种业公司不断加强高通量、大型化、规模化、自动化的科技基础设施建设，加快农业生物技术创新。欧美等发达国家和地区相继建立了高通量作物表型平台等重大科技基础设施，加快了作物基因设计育种步伐。麻省理工学院、国际水稻研究所等研究机构建立了作物基因编辑、全基因组选择、合成生物等分子设计育种相关平台，专注理论基础和应用基础研究。跨国公司拜耳孟山都、科迪华等种业集团建立了工程化育种设计平台，将前沿基础和技术融合应用育种，创制出耐旱玉米等突破性新品种。

2 我国农作物基因设计育种技术发展现状与面临的挑战

2.1 作物基础研究驱动基因设计育种

基础理论突破是基因设计育种的基石。2002年，我国水稻(籼稻)基因组框架图完成，标志着我国水稻基因组学研究迈入世界前列[6]。据统计，2008—2018年我国发表高水平论文27 479篇，占全球29%，其中水稻相关论文占全球38%。近年来，我国主导完成水稻、小麦、棉花等多种农作物品种和种质资源的高质量全基因组序列组装和功能分析；克隆了一批控制产量、品质、抗逆性等具有重大育种价值的新基因，系统解析了水稻亚种间遗传隔离、小麦赤霉病、玉米株型、大豆光周期反应等重要基因分子调控网络。多种重要性状的协同调控机制解析取得突破，如水稻广谱抗稻瘟病与产量平衡机制解析，深化了植物免疫与抗病性机制认识[7-8]；赤霉素调控作物氮肥高效利用机制解析，拓展了对植物生长与代谢协同调控基础理论[9]。育种基础科学创新能力的提升从源头上支撑了我国现代种业发展。

2.2 作物基因设计育种技术体系初步建立

据统计，2008—2018年我国主要农作物产出专利合计10 047件，占全球37%，正逐步建立系统的农作物基因设计育种技术体系。转基因技术是现今世界上应用最为广泛的基因工程技术，我国在多物种遗传转化等领域自主研发能力显著提升，生物安全评价、检测监测和管理体系不断完善，实现了由跟踪到自主创新的整体跨越，创制出具有重要应用前景的抗虫、耐除草剂、耐旱节水和营养功能型转基因玉米、大豆和水稻，达到或超过国外同类产品。基因编辑技术在作物设计育种中应用不断拓展，相继在水稻、小麦、玉米等作物上建立了基因敲除、基因替换或插入、基因转录调控、单碱基定向突变等基因组定点编辑技术体系，获得了耐除草剂、抗病、品质改良等新型材料[10]。全基因组选择技术已在聚合多元优良基因方面发挥作用，初步建立了水稻、小麦、玉米等作物全基因组选择技术体系[11]。在农业合成生物方面，发掘和合成一批抗盐碱、耐干旱、抗酸、固氮泌铵、氮高效利用等元件[12]。此外，通过在全基因组层面上建立人工智能预测模型，创建智能组合优良等位基因的自然变异、人工变异、数量性状位点的育种设计方案，最终实现智能、高效、定向培育新品种，极大地提高育种效率。

2.3 我国作物基因设计育种原创能力有待进一步提升

我国作物基因设计育种原始创新能力与美国等发达国家还存在较大差距。一方面，对于重要农艺性状的复杂性、基因与基因间协同性、基因与环境间的互作模式研究不足，具有重要育种价值的关键基因缺乏。另一方面，我国在作物育种领域的核心关键技术需要加快发展。以作物育种技术专利为例，在1998—2018的20年间，我国总体专利数占全球专利数的比例约为22%，但是核心技术专利占比不足3%。只有加快具有自主知识产权的关键基因克隆和原创技术创新，才能构筑农作物基因设计育种的基础理论和技术体系。此外，我国作物种业创新链条仍不完善，缺乏国家级作物基因设计育种重大基础设施，以统筹集聚育种性状遗传解析、育种元件设计、表型及代谢通路合成、新材料数字化测试和生物育种智能决策，引领并推动作物基因设计育种研发和种业快速发展。

3 农作物基因设计育种展望

面向作物种业发展需求，系统布局基因设计育种研究，推动品种改良向更加精准化、定向化、智能化方向转变[13-14]。

3.1 突出作物基因设计育种源头创新

瞄准国际作物种业科技基础理论前沿，强化源头创新，阐析重大基础科学问题，提升原创能力。一是在作物优异基因资源多样性与演化机制方面，重点揭示物种多样性产生和演化机制，全面解析物种资源形成的基因组学基础，为基因资源挖掘和创新提供理论指导；二是在作物重要育种性状形成的分子基础方面，深入解析产量、品质、抗性、营养高效等重要性状的遗传和表观遗传变异规律，构建分子调控网络，为多性状设计改良提供理论基础；三是在作物优异基因资源设计与合成机制方面，强化发掘优质、抗病、抗逆、养分高效等关键基因和生物元件，重构重要性状的信号调控网络或代谢合成通路，合成具有重要应用价值的关键功能元件，为作物种质定向创制提供原创理论。

3.2 突破作物基因设计育种关键核心技术

面对全球新一轮种业科技革命的机遇和挑战，在颠覆性前沿技术领域实现重大突破。从以组学为基础的分子标记、转基因和分子设计育种技术[15]拓展到全基因组选择、基因编辑、合成生物学等核心技术，并与大数据和人工智能交叉融合，着力构建作物基因设计育种技术体系，抢占制高点。深入研究新一代作物基因高效发掘技术，加快优异基因发掘[16]。开发和优化重要物种的全基因组选择技术，提高基因聚合效率。突破主要作物优良品种的高效遗传转化瓶颈，研发不依赖受体基因型限制的高效遗传转化新技术。创新高效的单碱基定点突变、大片段定点插入、同源重组等精准定向编辑技术，创新与集成人工智能设计和决策数据库，完善工程学的模块化概念和系统设计理论，构建基于模块组装和通路设计的合成生物技术体系，为作物基因设计育种提供支撑。

3.3 强化作物基因设计重大新品种研制

我国农业发展已由主要满足数量的需求向更加注重质量和营养健康、追求绿色生态可持续转变，农作物品种研发呈现以产量为核心向优质专用、绿色环保、抗病虫、抗逆、资源高效利用、适宜轻简化机械化的多元化方向发展。发掘作物高产、优质、抗病虫、抗逆、营养高效、高光效等关键基因，集成建立从“基因资源”到“田间育种”的作物基因设计育种技术体系，建立全流程的新种质创新及新技术应用模式，注重原创性基因资源和新型亲本创制，加快设计与培育优质多抗、氮磷高效、环境友好等战略性新品种，为品种更新换代提供支撑。

3.4 提升作物基因设计育种支撑能力

培养一批高水平的作物基因设计育种创新团队和青年科学家，打造一批具有国际竞争力的基因设计育种领军企业。聚焦作物重要育种性状的遗传网络阐析，以合成生物、基因编辑、全基因组选择等前沿技术驱动，深度融合人工智能、大数据等新兴学科，建设国家作物基因设计育种技术创新中心，以及“性状解析—元件设计—通路合成—材料测试—智能决策”一体化的作物基因设计育种重大科技基础设施，系统提升我国作物基因设计育种的国际竞争力。