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馮獻(xiàn)忠介紹實(shí)驗(yàn)室里陳列的不同品種的大豆標(biāo)本。辛雨攝

■本報(bào)見習(xí)記者 辛雨

“這是最新審定通過的高油、高產(chǎn)大豆新品種，個(gè)個(gè)株高、粒大?！敝袊茖W(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員馮獻(xiàn)忠向《中國科學(xué)報(bào)》介紹了實(shí)驗(yàn)室里陳列的不同品種的大豆標(biāo)本。

日前，馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)通過分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)選育的大豆新品種“東生118”“東生119”“東生120”，以及與吉林省吉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作選育的大豆新品種“九農(nóng)403”，通過了吉林省農(nóng)作物品種審定委員會審定。這幾個(gè)新品種是團(tuán)隊(duì)通過全基因選擇設(shè)計(jì)育種方案，定向改良提高大豆產(chǎn)量和含油量等重要農(nóng)藝性狀培育而成的。

近年來，馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)在環(huán)境友好型大豆分子設(shè)計(jì)育種，以及大豆高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、養(yǎng)分高效利用、抗病等控制大豆重要農(nóng)藝性狀基因的發(fā)掘等方面取得了一系列成果，尤其為改善東北黑土地作物種植結(jié)構(gòu)和減肥減藥提供了優(yōu)良的大豆新品種。

分子設(shè)計(jì)育種潛力大

來自中國海關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國累計(jì)進(jìn)口大豆首次超過1億噸，較2019年進(jìn)口增加1182萬噸。大豆產(chǎn)需缺口巨大，高度依賴進(jìn)口，作為全球最大的大豆進(jìn)口國，我國大豆穩(wěn)定供應(yīng)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

立足國內(nèi)生產(chǎn)，提高國產(chǎn)大豆產(chǎn)量，逐步降低對進(jìn)口大豆的過度依賴，有助于緩解國內(nèi)糧食結(jié)構(gòu)性短缺問題，更好地保障國家糧食安全。在種植面積難以大規(guī)模提高的情況下，提高大豆產(chǎn)量的另一途徑，在于依靠科技力量增加畝產(chǎn)量。

這就需要依靠科研人員持續(xù)攻關(guān)，選育出更多高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)品種，在有限的土地上持續(xù)提高大豆產(chǎn)量，保障國內(nèi)食用豆制品供給。“采用國際上先進(jìn)的品種分子設(shè)計(jì)手段，是目前實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)大豆育種突破的最佳途徑?！瘪T獻(xiàn)忠說。

2007年起，馮獻(xiàn)忠?guī)ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)率先在國內(nèi)建立了大豆突變體數(shù)據(jù)庫，開始從事大豆分子設(shè)計(jì)育種工作，試圖實(shí)現(xiàn)大豆的“定制化”生產(chǎn)。

“從國內(nèi)外優(yōu)良品種的培育現(xiàn)狀與發(fā)展歷史來看，分子設(shè)計(jì)育種代表著未來的方向，在大豆中明確的功能基因越多，對于開展分子設(shè)計(jì)育種越有利?！瘪T獻(xiàn)忠告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

相較于傳統(tǒng)育種，分子設(shè)計(jì)育種有其特有優(yōu)勢。馮獻(xiàn)忠解釋道：“傳統(tǒng)育種主要靠經(jīng)驗(yàn)。在如今的基因組時(shí)代下，我們探索的大豆分子設(shè)計(jì)育種可以通過定向選育，加快育種速度，這個(gè)方向的提升空間很大?！?/p>

在馮獻(xiàn)忠看來，分子設(shè)計(jì)育種的核心是在全基因組的基礎(chǔ)上，對種子性狀進(jìn)行基因重塑?！胺肿釉O(shè)計(jì)育種就好比是蓋房子，我們不僅要對大豆每塊‘磚’的樣子了如指掌，還要對每間‘房’的功能進(jìn)行提前設(shè)計(jì)和規(guī)劃?！?/p>

全基因組支持擇優(yōu)選種

馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)從大豆6萬個(gè)基因中找到了負(fù)責(zé)生育的基因，并進(jìn)行了基因控制和改良，從而培育出了改變成熟生育期的全新大豆品種。

“我們通過分子設(shè)計(jì)手段，采用不同優(yōu)良等位基因來控制大豆的性狀，比如讓豆莢里面結(jié)兩粒或者三粒，讓晚熟的品種早熟?！瘪T獻(xiàn)忠表示，改良后的大豆莖稈更強(qiáng)、抗倒伏性好，在種植密度加大的情況下果實(shí)飽滿、蛋白質(zhì)含量高，從而保證了高產(chǎn)量。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了大豆株型智能自動獲取技術(shù)、大豆葉型定量分析技術(shù)、大豆莢粒數(shù)性狀定量分析技術(shù)和種子形態(tài)分析和自動獲取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大豆重要農(nóng)藝性狀的定量分析比較。

馮獻(xiàn)忠介紹：“我們建立了5124份大豆表型組數(shù)據(jù)、2537份大豆重測序數(shù)據(jù)、1738份大豆轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)形成的多組學(xué)整合數(shù)據(jù)庫，掌握了控制大豆重要農(nóng)藝性狀基因的7025個(gè)遺傳位點(diǎn)。這些多組學(xué)數(shù)據(jù)為分子育種提供了理論基礎(chǔ)?！?/p>

針對大豆育種遺傳基礎(chǔ)狹窄及優(yōu)異種質(zhì)資源貧乏的問題，馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)以核心大豆骨干親本為材料，采用物理和化學(xué)誘變的方法，創(chuàng)制了容量為40萬株系的大豆突變?nèi)后w，建立了大豆飽和基因突變庫和優(yōu)良變異材料庫。

馮獻(xiàn)忠告訴記者：“我們已檢測到800多萬個(gè)大豆基因組新變異，98%以上的大豆基因平均有3個(gè)以上的錯(cuò)義等位突變，并在此基礎(chǔ)上建立了5套高效分子標(biāo)記鑒定方法、3套快速基因定位和克隆方法，以及237個(gè)開發(fā)育種可用分子標(biāo)記?！?/p>

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)克隆和鑒定了56個(gè)調(diào)控大豆高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆和生育期的重要基因，選育了778份優(yōu)異育種材料，為大豆新品種培育挑選出了優(yōu)異材料和靶標(biāo)基因。

刷新大豆單產(chǎn)紀(jì)錄

2018年，馮獻(xiàn)忠領(lǐng)導(dǎo)的國家重點(diǎn)研發(fā)團(tuán)隊(duì)培育的大豆新品種“合農(nóng)91”創(chuàng)造了畝產(chǎn)423.77公斤的全國大豆單產(chǎn)紀(jì)錄；2019年，“合農(nóng)71”大豆新品種畝產(chǎn)447.47公斤，再次刷新紀(jì)錄。

“與玉米畝產(chǎn)1000公斤相比，我國大豆的平均畝產(chǎn)僅有130公斤左右?！瘪T獻(xiàn)忠介紹，大幅刷新大豆單產(chǎn)紀(jì)錄的主要原因之一是改良了大豆高產(chǎn)基因和株型結(jié)構(gòu)。2020年，馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)培育的“東生104”“東生105”“東生112”通過審定，2021年“東生118”“東生119”和 “東生120”通過審定。“東生”系列分子設(shè)計(jì)育種大豆新品種的成功培育，對提高我國東北大豆產(chǎn)量以及實(shí)現(xiàn)東北大豆品種更新?lián)Q代具有里程碑式意義。

馮獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)將分子設(shè)計(jì)育種選育出的一批高蛋白、高產(chǎn)、高油大豆新品種推向了市場。去年，他們在新疆大豆適宜區(qū)結(jié)合水肥一體化技術(shù)試種的“東生104”品種，畝產(chǎn)超過400公斤。

“隨著大豆產(chǎn)量的大幅提高，國產(chǎn)大豆的種植效益也將提升，有利于促進(jìn)大豆的大面積種植。”馮獻(xiàn)忠認(rèn)為，從生態(tài)角度來說，種植玉米等農(nóng)作物代價(jià)較大，而大豆本身是固氮作物，種植大豆可實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)綠色發(fā)展。

他表示，大豆種植面積的擴(kuò)大不僅能增加吉林省的大豆產(chǎn)量，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，還可推進(jìn)大豆與玉米輪作，對緩解生態(tài)資源壓力、保護(hù)寶貴的黑土地資源、促進(jìn)耕地休養(yǎng)生息、提高糧食生產(chǎn)能力具有十分重要的作用。

“分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)是我們的優(yōu)勢，讓我們有信心、有決心為國家重大戰(zhàn)略服務(wù)?！蹦壳埃T獻(xiàn)忠團(tuán)隊(duì)正與巴西、俄羅斯及非洲等國家相關(guān)機(jī)構(gòu)合作，組織實(shí)施“全球大豆改良計(jì)劃”，為保障世界大豆安全供給提供“中國方案”。