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基因组学落地农业:提升传统育种效率,补国内育种短板,打破外资垄断!

最近,生物技术领域有两件事被推向风口浪尖:其一,华大基因在深交所创业板上市,成为真正意义的基因测序行业登陆资本市场第一股。截至上市10个交易日,华大基因连续10个涨停。其二,在深圳举行的第19届国际植物学大会期间,国家农业基因组科技创新联盟成立。

    与两个事件密切相关的,是现代生物技术——基因组学。资料显示,基因组是指一个细胞或者生物体所携带的一套完整的单倍体DNA(部分病毒是RNA)序列。基因组学则是指对所有基因进行基因组作图、核苷酸序列分析、基因定位和基因功能分析的一门学科。

    专家表示,基因组学的发展水平,是生命科学科研和产业发展水平的核心和关键,正驱动着生命科学快速发展。新一代基因组学与移动互联网、智能自动化、物联网、云技术、先进机器人、自动驾驶汽车、能量储存、3D打印、先进材料、先进油气开采、可再生能源并称驱动未来经济的12种颠覆性创新技术。

    如果以为基因组学就是搞转基因育种就狭隘了。基因组学应用领域广泛,尤其在医学、医药领域飞速发展,在农业种植领域,不仅能大幅提高传统育种效率、设计定制作物,而且可为食品安全和生物安全服务,利用合成基因组学技术还可能颠覆农业生产格局。

    华大基因为何受各路资本热捧?国内顶级科研院所为何加盟国家农业基因组科技创新联盟?“高大上”的创新技术如何与农业碰撞?在此,从媒体人的视角说说基因组学与农业应用那些事。

    基因组学的发展水平,是生命科学科研和产业发展水平的核心和关键,正驱动着生命科学快速发展。由于农业的生物学属性和种业的重要地位,基因组学被誉为驱动现代农业基础研究的火车头、推动农业生物育种跨越式发展的发射台、发展农业大数据战略的孵化器中国农业科学院深圳农业基因组研究所所长黄三文在某专业论坛上说过的一段话,现已成为科研院所对基因组学学科介绍的经典评价。

引领现代农业基础研究

重要性无可替代

    基因组学是生命科学领域蓬勃发展的新兴学科,在农业基础生物学研究中发挥着引领作用,也为生物种业发展带来新的机遇。

    聚焦近十年的中央一号文件,扶持种业创新、加强生物技术基础研究和开发几乎年年提及,2017年“加大实施种业自主创新重大工程和主要农作物良种联合攻关力度,加快适宜机械化生产、优质高产多抗广适新品种选育”;2016年“加强农业转基因技术研发和监管,在确保安全的基础上慎重推广”;2015年“加强以分子育种为重点的基础研究和生物技术开发”……

    为加强种业科技创新顶层设计,2016年科技部发布《“十三五”国家科技创新规划》,在发展高效安全生态的现代农业技术中提出,以做大做强民族种业为重点,发展以动植物组学为基础的设计育种关键技术,培育具有自主知识产权的优良品种。“七大农作物育种”重点专项实施,2016年首批启动了21个项目,参加单位271家,国拨经费15.62亿元。

    据悉,由中国科学家主导、国际间协作,完成水稻、小麦、玉米及黄瓜等70%~80%重要作物的基因组测序工作,初步掌握了这些作物遗传基因的功能性状,中国的研究水平走在前列。

    农业基因组学有什么应用前景?农业基因组学国家重点实验室主任张耕耘曾表示:基于基因测序的技术,可以将一些优良性状通过育种整合到现有的产品中。打个通俗的比方,将产量低的香米特性整合到产量高的产品中,新品种同时可能拥有抗病、抗虫性高的特点,实现精准营养,并且成本能降下来。未来很多新物种的应用潜力都会被挖掘出来,让旧品种焕发出新活力,这是可以期待的。

提升传统育种效率

补国内育种短板

    农业基因组学如何提高传统育种效率?在第六届北京现代种业博览会种业科技创新峰会上,华智水稻生物技术有限公司(简称华智)总经理张健道出了奥秘:“常规育种一般需要8~10年时间,通过田间试验培育一个优良品种。如果建立现代商业化体系,把单一的研发功能变成多功能研发平台,除了常规育种技术,还有分子标记、生物技术、生物信息等技术辅助,育种的精确度大大提高,一个优良品种的培育时间可以减少5~8年。”

    华智2013年8月成立,由国内水稻育种骨干企业出资3亿元联合共建起国家水稻分子育种平台。跨国公司孟山都、杜邦先锋等都组建了育种平台,中国受人力物力的限制,单个企业组建困难较大,联合共建模式可惠及更多企业。

    张健介绍,华智不专职进行基础理论研究,也不卖种子,定位非常清晰:做中间技术集成、创新、服务。“实际上是用差异化服务来补国内育种的短板。我们科研和生产脱节,希望华智来补短板,把科研院所好的成果转化为产品。”

    华智的客户群主要有三方面:育种家、育种企业和种子管理机构。成为育种助手,帮育种家提高效率;帮科研院所进行分子标记、测试、功能基因解析等;成为监管帮手,为种子管理机构提供种子质量检测服务。

    常规育种主要靠育种家的一双双“火眼金睛”在地里看,华智的工作是把常规育种和分子育种结合起来。举例来说,定向回交改良,常规回交需要六代才能达到99%纯度,利用分子标记只需要三代。一个育种家同时进行一两个性状改良可以,但同时做三五个就很难,如果利用分子育种手段就不是问题。像用KASP基因分型,包括前景标记选择,需要两个月甚至更长时间,在华智一周内就能完成。

    以玉米研发为例,某种业公司拿482份材料测序,但不知怎么用。华智把相关信息放到平台进行分析,认为482份材料里近90份材料是重复的。“完成测序就像制成一块块砖,怎么把砖块搭成高楼大厦,还需要生物信息团队协助。”

测序研发应用一体化

打破外资垄断

    为什么华大基因上市受到资本追捧?经过3年多的努力,华大基因不仅生产出在准确度和一致性方面均达到甚至超过一线成熟商业测序系统水平的测序仪,而且配套试剂、耗材实现国产化,成为全球第三家可规模化量产测序仪及测序试剂的厂家,打破了外资的垄断。

    2009年华大基因进军农业,累计完成超过2万份农业物种基因组数据,拥有超过70%的全球农业基因组数据,实现了从基因组、基因挖掘再到分子育种的全线贯穿。2016年3月,华大农业集团成立,致力于精准农业产业。

    在农业领域,跨国公司不仅品种资源和技术手段优势显著,而且在生物技术等基础研究、科研投入方面也与我们有很大距离。专家认为,打破传统育种技术瓶颈,急需现代生物技术尤其是基因组学技术的支撑。

    7月24日成立的国家农业基因组科技创新联盟,汇聚了国内基因组科研和产业化的优势力量。首批成员包括中国农科院、中国科学院、中国热带农业科学院、中国农业大学等科研院所,十多个省级农科院,先正达、大北农等龙头企业,共70多家单位,该联盟成为国家农业科技创新联盟的重要组成。

    尤其值得一提的是深圳的生物育种产业链。中国农科院深圳农业基因组研究所、香港中文大学深圳研究院、清华大学深圳研究生院等机构进行基础研究,华大基因进行基因测序分析,对接畅顺,还有产业化团队将科研成果迅速转化成新品种。深圳国家农业科技园区已引进培育20多个生物育种创新团队,孵化出11家种业企业,在粮棉油等农作物育种领域取得重大突破。累计育成农作物新品种61个,推广植物新品种92个,取得了显著的社会经济生态效益。

    “基因测序只是第一步,应该充分利用好这些数据开展深入研究应用,保障粮食安全、食品安全和生物安全,让这些数据为未来农作物育种发挥更好的作用。”联盟理事长黄三文表示。

    生物技术在农业的商业化实践非常广泛而且充满了活力,不断有新的应用被开发。尤其是随着精准农业、农业物联网和农业大数据走向实践,基因组学被寄予更多期待。

农业商业化实践广泛

不断发掘新应用

    当前国内外基因组学应用于农业的实践有哪些呢?Illumina商业化的农业应用包括:基因组选择/性状筛选、分子标记辅助的回交、亲子关系鉴定、可追溯性、基因组选择和育种、转基因鉴定、传染病检测等。Illumina是全球顶级基因测序设备供应商,其产品和服务具有代表性。

大数据应用

    这是一个大数据时代,农业基因组学也不例外。华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室通过分析1479个水稻品种绘制出基因组变异图谱,揭示出水稻改良的育种印迹。这项研究结果显示,粮食产量与品种中育种印迹的数量呈正比,表明了一个品系中的育种印迹数量或许可用于预测水稻的农艺潜力,选出的基因位点或可为科学家们提供一些水稻改良的靶点。这只是大数据应用的一个例子。

黄瓜为什么会苦

    在一定条件下,黄瓜会变苦。苦味不仅影响品质,也会影响农民收益。黄三文领衔完成黄瓜苦味合成、调控及驯化分子机制研究,揭示了黄瓜发苦的秘密。这项成果发表在2014年11月29日出版的国际顶级学术期刊《Science》上。据介绍,黄瓜苦味主要与葫芦素有关,而葫芦素还是天然药物原料。现代医学证明,它能抑制癌细胞生长,可与其他抗癌药物一起用于癌症治疗。葫芦素合成和调控机制的破解,也为开发和合成治疗癌症药物提供了新思路。

设计“定制作物”

    不仅可以量身定制服装、用品,现在还可以设计“定制作物”。我们看到商业化应用和处于研究之中的就有防褐变马铃薯、富含维生素A的香蕉、适于糖尿病人食用的稻米、风味更好的番茄等。

    1998年,多国科学家启动国际水稻基因组测序计划,2004年绘制完成水稻基因组序列全图。由中国农业科学院、国际水稻研究所和华大基因共同完成3000份水稻基因组项目。这是迄今为止全世界最大的植物基因组测序项目,包括来源于中国的500份代表性材料、来源于89个国家的2500份材料,代表全球25万份水稻种质。“我们找到了某个基因,用它可以培育出高产、高抗性淀粉的水稻,适合糖尿病人食用。中国1亿多糖尿病患者将受益。”中国科学院院士李家洋说。未来,彩色米、富含特定营养元素的“功能水稻”也将走出实验室。

    对抗柑橘黄龙病  佛罗里达州一个农业公司南方花园橙业公司(Southern Gardens Citrus),今年2月向美国农业部(USDA)申请使用基因工程柑橘衰退病毒(CTV)来对抗导致柑橘黄龙病的细菌。黄龙病不仅在中国肆虐,在过去十年里也严重危害了美国柑橘产业。该申请评议期结束,现在美国农业部要评估基因工程病毒对环境的可能影响。如果基因工程病毒的田间试验申请得到批准,这将是该方法首次商业化应用。

解决柑橘黄龙病,还可以利用CRISPR-Cas9技术编辑柑橘基因组,来增强品种的抗虫性或表达抗性基因,或者对柑橘树进行防止病害传播基因工程改造等。

    发酵罐里合成农产品  过去,发酵在农业中的应用广泛,饲料发酵、动物粪便发酵、食品发酵等。在生物制造领域,美国科学家成功构建人工细胞工厂生产青蒿素,100立方米工业发酵罐的产能相当于5万亩的农业种植产量,大幅降低了生产成本和对自然资源的依赖。

    2006年,合成生物技术研究被列入国家863计划。2012年,依托于国家863计划“合成生物技术”重大项目,天津大学、清华大学和华大基因与美国联合推动了真核生物酵母人工基因组合成国际合作计划。目前中国科学家人工合成16条真核生物酿酒酵母染色体中的4条,中国成为继美国之后第二个具备真核基因组设计与构建能力的国家。如今,中、美两国科学家设计并合成了更高级的单细胞真核生物染色体。

    接下来,科研机构设立了一个更高目标——人工设计并合成多细胞真核生物染色体。这会给人类带来什么?中科院院士、华大基因研究院理事长杨焕明在上海自然博物馆“绿螺讲堂·新问题沙龙”上对听众列举了一系列前景:食品和药品、生物材料和生物能源、智能模拟细胞、生物计算机……

 
 

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