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智能育種:育種的革命性突破


種業作為“國之命脈”,步入4.0時代,先進科技的應用將不斷加速新的作物品種的選育,為我國打贏種業翻身仗創造了更大可能。在此之前,世界種業發展已經歷了3個階段。

在1.0階段,主要依靠對作物表型變異的肉眼觀察,憑借耕作者的經驗和主觀判斷,篩選符合期望的育種材料。在2.0階段,隨著人類對生物遺傳規律的認知,及其在育種中的應用,職業從事育種的人可以通過預先設計雜交試驗選育新品種。

育種科研管理平臺

在3.0階段,隨著現代分子生物學與基因工程的快速發展,高通量測序與芯片平臺的出現,使全基因組選擇輔助育種技術在作物育種中逐步應用起來,人類的育種研究實現了從對作物表型觀察的感性認知到對影響性狀的微觀DNA結構理性分析的巨大飛躍。

進入21世紀第二個10年,隨著全球人工智能技術、基因工程技術、生命科學突飛猛進,育種進入“按需定制”時代。

2018年年初,美國康奈爾大學玉米遺傳育種學家、美國科學院院士Edwards Buckler教授正式提出“育種4.0”的理念。

在育種4.0階段,強調的是生命科學、信息科學與育種科學的深度融合??茖W家通過針對動植物的特定性狀或功能所對應的基因進行編輯,人為“改良”出新的作物品種,并且培育周期可以縮短至一年或數月,甚至實現在短時期內快速馴化出新品種為人類社會所用。

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袁隆平院士曾說過,“分子技術與常規育種結合如虎添翼。4.0時代的作物基因組智能設計育種,將推動育種技術實現從“藝術”到“科學”再到“智能”的革命性轉變?!?/p>

不僅如此,4.0時代智能育種所采用的基因編輯技術,與3.0時代的轉基因技術有著本質的不同。轉基因技術是將人工分離和修飾過的外部基因導入目的生物體的基因組,從而改造物種的性狀,以達到抗蟲、抗病、抗除草劑等目的,本質上是“創造”新物種的過程。?

而基因編輯技術可以做到不轉入外源基因,只是通過使用CRISPR-Cas9或鋅指核酸酶(ZFN)等技術對生物體內部存在的“不良基因”進行修飾,達到去劣存優的目的,本質上是“改良”或“重塑”原有物種的過程。

正是由于不涉及轉基因,基因編輯的作物品種在審批上有更大自由度,國際上對此監管也普遍更寬松。美國農業部(USDA)在2018年做出決定,對采用CRISPR基因編輯技術繁育的農作物不進行審查管制,截至2020年年底,美國已經批準了超過70種基因編輯作物。

育種數據管理

2021年,日本也批準了一種基因編輯番茄的商業化生產和食用,該品種可增加γ-氨基丁酸含量,食用后有穩定情緒的作用。在國內,已有袁隆平院士團隊采用CRISPR技術篩選出新一代抗鎘超級稻;中國科學院高彩霞研究員將抵抗白粉病的基因引入小麥等成功案例。

因此,在4.0時代,借助合成生物學、基因編輯技術及人工智能、大數據等跨界技術的融合應用,種業發展出現由隨機向定向、可設計的革命性轉變,品種“按需定制”成為現實。并且,新技術下育種周期大大縮短,將為我國的農產品新品種選育創造絕佳機遇,有助于盡快擺脫“卡脖子”的束縛。

智能育種時代為農業的物種重塑奠定了堅實的科技基礎,種業發展迎來了前所未有的重大機遇期。

當前,除海南省、甘肅省、四川省這三大國家級育制種基地外,已有武漢、新鄉等城市提出建設“中國種谷”,長沙、廣州等城市也提出建設“種業硅谷”。另有一些城市針對特定領域提出建設目標,如三明打造“稻種硅谷”,壽光打造“蔬菜種業硅谷”等。

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目前,國內的大數據應用顯得廣而不精,在氣象、土壤、GIS影像系統及分析、虛擬現實技術分析及應用等專業化的應用場景方面,仍有很大差距。在這部分稀缺的應用場景方面,將會有大量的新興企業殺入,而這正是擁有數據科學龍頭企業的城市跨界進入農業育種領域的機遇。另外,如同圣路易斯那樣擁有農業錨機構的北京、武漢、楊凌等“農谷”,也將培育出眾多種業相關的初創企業,成為種業初創企業的聚集區。

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