2022-05-10 10:06:49
8年來,張大健的工作一直都和大豆育種有關(guān)。
作為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院青年教師,36歲的張大健教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員聚焦大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新,在拓寬遺傳基礎(chǔ)、聚合優(yōu)良基因、科技開發(fā)及生產(chǎn)服務(wù)等方面做了一系列工作。
今年3月,該團(tuán)隊(duì)解析了大豆進(jìn)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(zhǔn)確挖掘了大豆基因組的結(jié)構(gòu)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(chǔ)解析、馴化性狀調(diào)控基因挖掘及種質(zhì)創(chuàng)新提供了重要理論支撐,成果在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然—植物》在線發(fā)表。
大豆是重要的糧油飼兼用作物,在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要戰(zhàn)略地位,但自給率較低,是我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域突出的一道難題。
今年,實(shí)施大豆產(chǎn)能提升工程列入中央一號文件。“創(chuàng)新大豆種質(zhì)資源,培育優(yōu)良品種,提升大豆油料產(chǎn)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(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ),要想實(shí)現(xiàn)種質(zhì)創(chuàng)新,必須利用先進(jìn)的科技手段搞清楚大豆的基因組信息。”
作為大豆起源國,我國保存著世界上最豐富的大豆種質(zhì)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(jù)前期科研數(shù)據(jù),從又黑又小的野生大豆到又黃又大的栽培大豆,這個(gè)進(jìn)化過程中丟失了約70%的基因位點(diǎn),因而在栽培大豆中產(chǎn)生了嚴(yán)重的遺傳瓶頸效應(yīng),極大限制了栽培大豆產(chǎn)量提高與品質(zhì)改良。
“多年生野生大豆主要生活在熱帶和亞熱帶地區(qū),遺傳多樣性豐富,具有較強(qiáng)的抗逆、抗鹽堿、抗蟲、耐旱、耐熱等特性,是栽培大豆進(jìn)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(nóng)藝性狀的挖掘和育種提供了寶貴的資源,但由于其基因組龐大、重復(fù)序列多和高度雜合等特性,一直缺乏高質(zhì)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(fā)生了什么變化?大部分的基因位點(diǎn)丟失到哪里了?張大健團(tuán)隊(duì)的研究目標(biāo)鎖定為解析野生大豆進(jìn)化歷程,破譯大豆育種“密碼”。
張大健帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)人員制訂了“兩步走”計(jì)劃:先搞基礎(chǔ)研究,識別高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)基因;再利用基因資源,實(shí)現(xiàn)大豆“定制化”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(chǎn)量和品質(zhì),誰能夠破解基因的密碼,誰就占領(lǐng)了育種的制高點(diǎn)”。
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(tuán)隊(duì)在世界范圍內(nèi)選取了5個(gè)有代表性的二倍體多年生野生大豆品種和1個(gè)自然形成的異源四倍體多年生野生大豆,進(jìn)行全基因組測序,綜合利用二代、三代、Hi-C等測序技術(shù),組裝得到了染色體級別的高質(zhì)量參考基因組,首次構(gòu)建了多年生野生大豆泛基因組,并鑒定出109827個(gè)多年生大豆中的非冗余基因位點(diǎn),發(fā)現(xiàn)其中約70%的基因位點(diǎn)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(chǔ)。
此外,團(tuán)隊(duì)還鑒定出183個(gè)大片段基因組結(jié)構(gòu)變異,這些變異影響著大豆開花時(shí)間、抗病性、抗逆性等重要的表型特征。
“結(jié)構(gòu)變異是指基因在染色體空間結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)倒位、異位等現(xiàn)象,可能對基因的表達(dá)或功能產(chǎn)生影響。”張大健解釋說,“準(zhǔn)確解析這些結(jié)構(gòu)變異對于顯著提高大豆產(chǎn)量、改良大豆品質(zhì)等農(nóng)藝性狀具有重要意義”。
該成果在《自然—植物》發(fā)表后,大豆遺傳育種學(xué)家孔凡江評價(jià),這一研究不僅解析了大豆進(jìn)化歷程,而且高效準(zhǔn)確挖掘了大豆基因組的結(jié)構(gòu)變異,為大豆的遺傳基礎(chǔ)解析、馴化性狀調(diào)控基因挖掘及大豆種質(zhì)創(chuàng)新提供重要的數(shù)據(jù)支撐。
大豆要高產(chǎn),品種是核心。
經(jīng)過調(diào)研和分析,團(tuán)隊(duì)將下一步的目標(biāo)鎖定為利用“定制化”分子育種,培育高產(chǎn)和耐鹽堿大豆。
“黃河三角洲每年新淤土地約3萬畝,尚有約280余萬畝鹽堿地待開發(fā)利用,利用生物技術(shù)手段改良大豆抗鹽堿能力,創(chuàng)造出耐鹽新種質(zhì)(系),培育出耐鹽新品種具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。”張大健說。
想要做好育種工作,足夠多的種質(zhì)資源尤為重要。
張大健帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)收集黃淮海地區(qū)內(nèi)野生大豆種質(zhì)資源,篩選了1000多份大豆材料,利用形態(tài)標(biāo)記和DNA分子標(biāo)記進(jìn)行遺傳多樣性分析,通過主成分分析和聚類分析,揭示了黃淮海區(qū)域內(nèi)野生大豆的分布狀況、遺傳結(jié)構(gòu)及親緣關(guān)系,最終得到顯著耐鹽堿大豆種質(zhì)材料36份、高產(chǎn)種質(zhì)材料21份,建立起黃淮海區(qū)域野生大豆核心種質(zhì)庫,為育種研發(fā)提供了樣本。
根據(jù)野生大豆核心種質(zhì)庫的信息,張大健團(tuán)隊(duì)與全國最大的大豆種業(yè)公司聯(lián)合攻關(guān),選育出兩個(gè)適宜黃淮海地區(qū)種植的高產(chǎn)、高油、耐鹽堿的大豆新品種——“山豆1號”和“山豆2號”。
目前,這兩個(gè)大豆品種均已開始進(jìn)行山東省夏大豆區(qū)域試驗(yàn)。經(jīng)田間種植“考驗(yàn)”,產(chǎn)量遠(yuǎn)超當(dāng)前我國大豆平均畝產(chǎn)。豆子顆粒飽滿,出油量大,試種的農(nóng)民心里樂開了花。
一粒新種子的出現(xiàn),往往意味著更高的產(chǎn)量和更好的經(jīng)濟(jì)效益。張大健算了筆賬:高產(chǎn)抗逆的大豆新品種大面積推廣后,預(yù)計(jì)正常種植條件下,產(chǎn)量能提高10%;而鹽堿地種植條件下,大豆產(chǎn)量能提高10%-15%。以每畝產(chǎn)120公斤大豆估算,按約30%的未開發(fā)鹽堿地種植大豆,預(yù)計(jì)每年收獲約18萬噸大豆,按每公斤8元計(jì)算,可給農(nóng)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(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種當(dāng)作自己的核心目標(biāo),為中國大豆增產(chǎn),為中國農(nóng)民增收,是他一直努力的動(dòng)力。
來源:中國青年報(bào)
編輯:牛姣