【旧文重播】分子植物育种助推南繁种业转型升级

      来自 | 徐云碧

      作者 | 徐云碧

      前言：

      在第三届三亚国际种业科学家大会暨 2024 国际种业科技博览会落下帷幕之际，今次【旧文重播】，介绍 2021 年发表在《中国农业科学》关于如何推动南繁种业转型升级的文章：

      张兴平，钱前，张嘉楠，邓兴旺，万建民，徐云碧. 2021.分子植物育种助推南繁种业转型升级. 中国农业科学 54(18):3789-3804

      北京大学现代农业研究院公众号介绍了这篇文章：

      专家建言：分子植物育种助推南繁种业转型升级

      https://mp.weixin.qq.com/s/vEfmXrvhpUy15UH1umoM5w

      过去几年来，在中国种业发展历史上发生了几件大事，始自 2018 年的海南自贸区建设。这一年，中国国家主席习近平在海南省暨海南经济特区 30 周年大会上郑重宣布，党中央决定支持海南全岛建设自由贸易试验区。海南开启自贸区建设，把南繁育种作为重要的科技创新内容之一。

      根据过去四十年本人参加南繁育种的实践，深感海南在未来的育种中不应该仅仅是为了加代，每年多繁育一个世代，而是应该发挥真正的冬季育种基地的作用。在分子标记辅助育种、DH 育种、快速育种、工厂化育种、转基因育种、基因编辑育种等现代育种技术正在与常规育种技术完全整合的时代，海南完全可以发展成为“海南育种、全国测试”的重要育种基地。

      于是，从 2019 年开始思考如何实现南繁育种转型升级的问题，这个重大转变应该是未来南繁科技城建设的重要目标，并在 2019 下半年在海南召开的两次与南繁育种相关的会议上提出了分子植物育种助推南繁种业转型升级的设想。

      第一次是在海口召开的 “海南自贸区 (港) 南繁 · 深海 · 航天科技创新暨产业发展国际合作交流大会——南繁种业创新发展与国际合作交流会（11月18-21日）。

      第二次是 12 月 9-12 日在三亚召开的“崖州论坛：南繁与现代育种国际论坛”。会上，分子育种践行者作了题为“分子植物育种助推南繁种业转型升级” 的主旨报告。报告讨论了:

      (1) 实现南繁种业转型升级所需要的支撑条件；

      (2) 分子标记辅助育种在转型升级中的关键作用；

      (3) 我国在液相芯片检测领域实现换道超车，走在世界前列，一举突破了成本、平台和知识产权的三重制约，在大幅度降低了分子标记检测成本的同时，实现了检测平台仪器设备的通用化和分析试剂的国产化。

      (4) 南繁种业转型升级所需整合的现代育种技术体系。

      在几次全国性大会报告的基础上，联合多家单位的著名专家学者，以专家建言的形式，撰写了“分子植物育种助推南繁种业转型升级“的论文。该论文发表在 2021 年《中国农业科学》上，论文作者包括了三名中美院士、两名国家特聘专家、一位公司老总，被认为是作者级别最高的中文论文之一，其目的是希望引起有关部门对南繁问题的关注，为国家南繁科技城的建设和南繁育种转型升级提供参考和指导意见。

      2020 年《海南自由贸易港建设总体方案》印发，海南自贸港建设上升至国家战略，赋予三亚及崖州湾发展国际化中心化的高标准要求。12 月 2 日，《海南自由贸易港三亚崖州湾科技城条例》发布。条例指出，科技城应按照海南自由贸易港建设的有关要求，高水平推进深海科技、南繁科技、动植物种质资源引进中转研发、科教研发、遥感等产业发展。随后几年，南繁科技城发展迅速。

      2021 年 5 月 12 日，崖州湾种子实验室揭牌并随后进入正式运转。南繁科技城现已汇集中国科学院、中国农业科学院、中国农业大学、浙江大学等大学和科研院所，中国种子集团、隆平生物等几百家种业企业，产生了显著的南繁产业集聚效应。

      近日，为期 3 天的第三届三亚国际种业科学家大会暨 2024 国际种业科技博览会落下帷幕。三亚日报发表了综合述评：

      大咖齐聚三亚开启“头脑风暴”，共话种业发展

      https://mp.weixin.qq.com/s/a0L0Dp5U0qTlgXyJZ9OcMg

      文中提到：在海南独特的气候条件下，在南繁基地已有品种、技术、人才聚集区的基础上，为更好发挥南繁产业集群优势，打造南繁“种业高地”，实现农业种业“走出去”，三亚市政府联合南繁精英，以崖州湾科技城为先驱搭建南繁平台，打通集“检测前端、田间服务、实验室管理、成果转化、经营创收”等为一体的南繁全产业链条，探索实现南繁由季节加代向全年研发、由育制种向产业链、由分散独立向集群协同拓展，创建以种业为主导产业的国家现代农业产业园，着力打造立足海南、服务全国、走向世界的“南繁硅谷”。……

      希望南繁科技城能够真正发挥社会主义大协作的精神，做到南繁育种设施、平台等的协同、共享，避免重复建设和低水平内卷，减少浪费，充分发挥海南的自然资源优势和政策优势，助推南繁种业转型升级，提升中国种业的国际竞争力。在种业受到日益重视的今天，很多大学、科研院所和种业企业都在利用国家提供的优惠条件和政策支持，在海南开展大规模的育种平台和设施建设。为充分利用海南有限的土地资源，重点建设满足异地育种、快速育种等现代育种所需的高效、低成本公共设施和共享平台，依然是南繁科技城建设所面临的一项重要挑战。

      实现南繁种业转型升级，将改变历史上单一的繁殖加代模式，实现向资源引进和评价、育种选择、品种鉴定和品种权保护等在内的全产业链模式的转型升级，将南繁基地转变为育种基地，将海南的冬天转变为育种家的春天。与南繁种业转型升级相对应的是“动植物分子育种共性技术和平“的建设。正如第一届前沿分子育种技术研讨会（2019.5.15-17北京）所倡议的，期待建立 “动植物分子育种共性技术和平台合作联盟” ，开展共性理论的探讨，共性技术的开发，共性平台的构建，共性应用的实践。

      今天旧文重播，希望能够引起相关部门的关注，在助推南繁种业转型升级的同时，如何协调、整合和统筹南繁育种相关的资源、设施和平台，推进中小种业企业的分子植物育种和种业的发展。

      附原文：

分子植物育种助推南繁种业转型升级

      Transforming and upgrading off-season breeding in Hainan through molecular plant breeding

      为了加快育种进程，育种家采用了各种异地繁殖的方式，就是在目标环境不适合繁殖的条件下，到气温适合作物生长的地方，主要是海南，进行繁殖和加代，简称南繁。但由于异地环境条件与目标环境存在很大差异，一般无法在异地进行育种所需的各种表型评价选择。同时，由于育种材料通常处于分离时代，一般需要在目标环境和异地进行交替的穿梭育种，而不宜在异地进行连续两个或多个世代的繁殖。因此传统的育种方法极大地限制了南繁育种和选择。分子育种技术的发展为充分利用热带的光温资源、开展一年多代的南繁育种并进行有效的异地评价和选择创造了条件。分子标记辅助育种与其他现代育种技术相融合，将助推南繁种业从单一的繁殖加代向资源引进和评价、育种选择、纯度检测、种质交流和产权保护等在内的全产业链模式转变，实现从海南冬繁到周年育种的转变，将海南的南繁地理和生态优势转化为南繁与育种相整合的全产业链优势，加快育种进展、提高育种效率，促进种业发展。

      近日，《中国农业科学》发表了由北京大学现代农业研究院、中国农业科学院作物科学研究所和石家庄博瑞迪生物技术有限公司几位专家组成的团队撰写的长篇评述。该文全面讨论了如何利用分子育种技术实现南繁种业的转型升级，内容包括海南地理生态优势与南繁种业现状，南繁种业转型升级的必要性和可能性，以及所面临的挑战和机遇。这一讨论关系到南繁科研育种基地建设，国家种业发展和粮食安全，值得相关专家、管理人员和政府决策机构参考。论文信息如下：

      张兴平,钱前,张嘉楠,邓兴旺,万建民,徐云碧. 2021. 分子植物育种助推南繁种业转型升级. 中国农业科学54 (18): 3789-3804. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2021.18.001

      论文全文可以通过以下链接下载（如下图）：

      https://www.chinaagrisci.com/CN/10.3864/j.issn.0578-1752.2021.18.001

      文章在分析了海南地理生态优势与南繁种业现状之后，讨论了南繁种业的转型升级及其所需条件。实现南繁种业的转型升级有赖于异地选择观念的转变、国家相关政策的支持、分子育种平台的支撑、生物安全防控和品种保护制度的建立和完善、资源共享和交流机制的形成（表1）。

      随后讨论了南繁种业转型升级之育种理论：数量和群体遗传、基因型和环境互作、分子设计和大数据构。分子设计包括微观水平的基因设计、代谢设计和网络设计，宏观水平的个体设计、群体设计和物种设计。论文首次正式提出了有关宏观和微观层次分子设计育种的战略设想（表2）。

      高通量精准表现型鉴定、环境型鉴定、信息处理和网络技术、决策支撑系统等是南繁种业转型升级所需的育种平台。现代育种技术平台将在南繁种业转型升级中发挥关键作用。平台将推动异地选择（完成主要目标性状的异地评价、鉴定和选择）、分子检测（转基因性状的转移、基因编辑检测）、增规减耗（通过早期和播前选择增加规模、提高土地利用率、降低成本）、品种权利保护（品种真实性、实质性派生品种、品系和杂交种纯度检测）、DH 育种（单倍体筛选、早期淘汰和选择）、快速育种（通过控制环境条件加速植物生长发育、分子标记辅助的快速筛选和鉴定）、全基因组选择和预测以及开源育种（种质资源和信息资源的共享、交流和利用）。

      分子检测技术以及标记辅助的选择使评价和选择不再依赖于特定的环境条件。过去四十年来，分子标记检测技术发生了革命性的变化，经历了从凝胶电泳到荧光检测、固相芯片和液相芯片的 4G 发展过程。作为分子育种的核心支撑，现已发展了基于靶向测序-液相芯片的基因型检测（genotyping by target sequencing and liquid chip，GBTS-LC）技术，通过 GenoPlexs 可以实现高达 5000 对标记引物高度均一的多重 PCR 靶向扩增，而基于液态探针捕获的 GenoBaits，可以获取高达 40K 个目标位点（每个位点包含多个 SNP）。该技术具有平台广适性、标记灵活性、检测高效性、信息可加性、支撑便捷性、应用广普性，已成为分子育种中取代固相芯片的重要分子检测技术。关于靶向测序-液相芯片技术的详细介绍，请参考：徐云碧等 2020（中国农业科学 53: 2983-3004）和郭子锋等 2021（Plant Communications 2: 100230）。

      南繁种业转型升级需要建立完整的综合育种技术体系，也就是将各种现代育种技术整合在一起形成一条完整的链条。综合育种技术体系涉及多种育种方法的综合应用，包括常规育种程序以及在此基础上整合各种现代育种技术和方法及其优化和组合形式。要实现“海南育种，全国测试”，需要构建包括高效育种设施、快速育种、转基因和基因编辑技术、双单倍体育种技术、全基因组选择等在内的综合育种体系。随着各种技术的综合应用，育种周期缩短、遗传增益提升、育种效率提高、投入产出比增加。整合多种方法和技术的育种体系将变每年南繁一代为每年南育多代，同时大大降低品种的培育成本。为此，要倡导资源共享的开源育种模式，建设横跨动植物的共性方法、技术和平台，开展资源引进、监测和评价，构建种质资源指纹图谱，强化品种权保护、种子质量控制和纯度检测。希望借此推进有关南繁种业转型升级的公众讨论和政府决策，从而推进整个种业的科技进步和现代化。

实现南繁育种转型升级的综合育种策略及其效率