種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，種業(yè)技術的進步，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎，也是保障14億人糧食安全的重要前提。《“十四五”推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》提出，加快實施農(nóng)業(yè)生物育種重大科技項目，有序推進生物育種產(chǎn)業(yè)化應用。國家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》中也將現(xiàn)代種業(yè)提升工程列為生物經(jīng)濟七大工程之一。本期邀請幾位專家圍繞生物育種進行研討。
主持人：經(jīng)濟日報社理論部主任、研究員 徐向梅
保障“中國糧”主要用“中國種”
主持人：我國生物育種發(fā)展現(xiàn)狀如何？存在哪些優(yōu)勢與不足？
姚穎垠（中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院教授）：糧食安全是“國之大者”，培育優(yōu)良品種是保障國家糧食安全的根本途徑。國際上將育種發(fā)展分為4個典型階段：育種1.0時代人類馴化了大量野生植物進入農(nóng)耕文明；育種2.0時代育種家主要依賴經(jīng)驗并把統(tǒng)計學、數(shù)量遺傳學和雜交育種策略應用到優(yōu)良品種選育中；育種3.0時代先進的生物技術包括分子標記輔助選擇、基因工程在育種中廣泛應用；隨著人工智能、基因編輯、合成生物學等學科發(fā)展，育種進入由前沿科學技術引領的“生物技術+信息技術+人工智能”育種4.0時代。
傳統(tǒng)常規(guī)育種大多依賴育種家經(jīng)驗，育種效率低、精準度差、育種周期長。生物育種基于遺傳學、分子生物學、基因組學、計算生物學和系統(tǒng)生物學理論，依賴先進生物技術，與生命科學基礎研究密不可分，將成為支撐未來現(xiàn)代種業(yè)長足發(fā)展的決定力量。
黨的十八大以來，我國種業(yè)發(fā)展取得巨大成就。全國審定的主要農(nóng)作物品種數(shù)目顯著增加，主要糧食作物良種覆蓋率超過96%，品種對單產(chǎn)貢獻率提高到45%，為保障我國糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)定供給發(fā)揮重要作用。種業(yè)跨越式發(fā)展背后的巨大支撐力量是種業(yè)科技創(chuàng)新，尤其是依賴先進生物技術的生物育種得到飛速發(fā)展。
生物育種領域基礎研究不斷創(chuàng)新和突破。我國收集保存了豐富的作物地方品種、野生種和野生近緣種，目前保存超過52萬份農(nóng)作物種質資源，數(shù)量躍居世界第二，這些資源是開展生物育種基礎研究、重要基因挖掘、優(yōu)良品種培育的重要材料和寶貴財富。利用這些資源，我國科學家從基因組學、遺傳學、分子生物學等層面圍繞國際前沿科學問題開展大量開創(chuàng)性、系統(tǒng)性研究，取得突破性進展。在國際上率先構建水稻全基因組序列框架圖，克隆了一批調控株型、氮高效利用、耐低溫、抗旱、耐鹽堿、抗病、新型抗除草劑等具有重大育種價值的新基因，并在育種中逐步加以利用。山東農(nóng)業(yè)大學孔令讓教授團隊、南京農(nóng)業(yè)大學馬正強教授團隊克隆了小麥抗赤霉病關鍵基因，為攻克小麥癌癥赤霉病提供重要基因資源。
先進生物育種技術持續(xù)迭代升級，正在成為推動我國現(xiàn)代種業(yè)跨越式發(fā)展的強大驅動力。分子設計育種、基因編輯、單倍體育種、轉基因技術、生物工程等技術不斷創(chuàng)新并取得顛覆性突破，這些技術在農(nóng)作物育種中逐步應用，顯著提高育種效率。中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團隊應用“基因組設計”理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體替代四倍體，用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖，有望顛覆創(chuàng)新馬鈴薯產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方式。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所李家洋院士團隊提出快速從頭馴化的新策略，通過基因組設計和基因編輯將多倍體野生水稻快速馴化成農(nóng)藝性狀優(yōu)良的新型多倍體水稻，大幅提升產(chǎn)量和環(huán)境變化適應性，為從頭馴化其他野生和半野生植物創(chuàng)制新型作物提供重要參考，開辟了培育高產(chǎn)廣適新型作物的新途徑。
利用先進生物育種技術與常規(guī)育種相結合，培育和推廣了一批突破性優(yōu)良品種，保障“中國糧”主要用“中國種”。新中國成立以來，主要農(nóng)作物育種已實現(xiàn)5至6次新品種更新?lián)Q代，“十三五”期間審定主要農(nóng)作物品種1.68萬個，比“十二五”期間增加一倍多。近年來，在精品優(yōu)質水稻、高產(chǎn)優(yōu)質小麥、高產(chǎn)機收玉米等農(nóng)作物新品種方面取得突破性進展。堅持“形態(tài)改良與雜種優(yōu)勢利用相結合”育種理念，雜交水稻品種產(chǎn)量潛力不斷提升，以晶兩優(yōu)華占、晶兩優(yōu)534、隆兩優(yōu)華占等為代表的超高產(chǎn)雜交水稻，在大面積推廣過程中對農(nóng)民增產(chǎn)增收和國家糧食安全作出突出貢獻。水稻分子模塊設計育種技術方面的研究引領國際育種發(fā)展方向，李家洋院士團隊運用分子設計育種技術，將控制粒型、抗稻瘟病、優(yōu)異稻米品質、抗倒伏等分子模塊進行耦合，經(jīng)過精準定向設計培育出標志性水稻品種“中科804”。
我國種業(yè)企業(yè)研發(fā)投入持續(xù)加大、競爭力顯著提升。國家級“種業(yè)航母”各系統(tǒng)初步形成規(guī)模，生物種業(yè)規(guī)模和整體競爭力明顯提升。我國農(nóng)作物和畜禽種業(yè)市場接近6000億元，成為全球最大種業(yè)市場。據(jù)《2021年中國農(nóng)作物種業(yè)發(fā)展報告》統(tǒng)計，2020年我國有種子企業(yè)6118家，資產(chǎn)總額2425.21億元，資產(chǎn)總額1億元以上的432家，其中10億元以上企業(yè)27家，實現(xiàn)種子銷售收入777.10億元，利潤69.57億元。過去幾年，以先正達、隆平高科等為代表的中國種子企業(yè)，在國際種業(yè)市場上嶄露頭角，影響力與日俱增，隆平高科于2017年躋身全球種業(yè)前十強，通過內生增長和外延并購雙輪驅動，已初具中國種業(yè)航母雛形。
我國生物種業(yè)科技不斷創(chuàng)新，科技基礎和科研力量日益雄厚，但也存在一些問題。
一是生物育種重大原創(chuàng)性基礎理論研究不夠深入，獨立原創(chuàng)探索性研究較少，尤其是有重大育種利用價值的關鍵基因和分子模塊匱乏。
二是與國際種業(yè)科技創(chuàng)新水平相比，我國生物育種關鍵技術原始創(chuàng)新落后，核心環(huán)節(jié)技術掌握不夠，研究力量分散，還沒有形成合力。
三是種業(yè)企業(yè)科技研發(fā)投入不足，前50強的種業(yè)企業(yè)年研發(fā)投入約13億元人民幣，遠不及美國孟山都、德國拜耳公司一個公司同期投入規(guī)模。
四是具有自主知識產(chǎn)權的轉基因生物育種、基因編輯育種等相關成果產(chǎn)業(yè)化亟待突破，隨著國家對轉基因生物育種產(chǎn)業(yè)化應用政策逐漸放開，生物育種產(chǎn)業(yè)化將迎來重大利好。國際生物育種產(chǎn)業(yè)市場已經(jīng)向少數(shù)大企業(yè)集中，規(guī)模化、集團化和全球化成為生物育種發(fā)展大趨勢。我們要抓住機遇，建立貫穿基礎研究、技術攻關、產(chǎn)品創(chuàng)制、示范推廣等全產(chǎn)業(yè)鏈成套創(chuàng)新體系，快速推進生物育種產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)生物種業(yè)跨越式發(fā)展。
生物技術引領種業(yè)顛覆式創(chuàng)新
主持人：請分享企業(yè)在生物育種產(chǎn)業(yè)方面的探索實踐和成功經(jīng)驗。
呂玉平【糧油作物生物育種“芯片”研發(fā)專家、隆平生物技術（海南）有限公司總經(jīng)理】：打贏種業(yè)翻身仗需要兼顧研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，特別是要有市場競爭力的產(chǎn)品。基于這個理念，隆平生物技術（海南）有限公司于2019年成立，開始進行主要糧油作物生物育種關鍵“芯片”技術研發(fā)。
從國際種業(yè)發(fā)展規(guī)律和趨勢看，國際一流種業(yè)研發(fā)正由分子育種3.0時代進入智能設計育種4.0時代。以轉基因、基因編輯、分子標記為代表的生物育種技術正對種業(yè)產(chǎn)生顛覆性創(chuàng)新。國際種業(yè)巨頭孟山都（2018年被拜耳以630億美元收購）從上世紀80年代開始研發(fā)轉基因技術，后通過技術引領和持續(xù)并購擴張，累計并購350家不同類型種子公司，由一家化學品公司一躍成為國際種業(yè)巨頭并始終保持領先地位。
縱觀孟山都的發(fā)展史，生物技術是最核心的成功要素。當前，種業(yè)轉基因商業(yè)化大幕即將開啟，以轉基因為代表的生物技術將為我國種業(yè)帶來根本性變化。孟山都30多年依托轉基因生物技術的種業(yè)商業(yè)化之路為我國種業(yè)提供了有益借鑒。
生物技術具有技術壁壘高、研發(fā)投入大、開發(fā)周期長等特點，因此研發(fā)難度比較大。隆平生物從事的是糧食作物玉米、大豆種子精準育種和性狀改良的研發(fā)，其中抗蟲抗除草劑轉基因“芯片”技術是目前我國種業(yè)的“卡脖子”環(huán)節(jié)。2021年我國進口玉米近3000萬噸，如果按平均單產(chǎn)不足500公斤計算，需要6000多萬畝土地。而大豆進口更多，近1億噸，業(yè)內專家表示，若生產(chǎn)這個體量的大豆需要7.9億畝耕地。參考人多地少、耕地資源稀缺的現(xiàn)狀，依靠擴大種植面積達到供給是一件不可能的事。玉米雖然已不作為主糧供百姓食用，但卻關乎所有百姓的飯碗。玉米號稱“飼料之王”，我國玉米60%用于飼料，40%用于工業(yè)。而在飼料中，玉米占比達到60%，是養(yǎng)殖業(yè)重要的能量飼料原料。如果飼料不夠將直接影響豬、雞等養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)量和產(chǎn)品價格。雖然我國是玉米生產(chǎn)大國，但是平均畝產(chǎn)只相當于美國的50%至60%，還需要大量進口。提高玉米自給率，必須依靠提高畝產(chǎn)，其中最重要的是發(fā)揮良種作用。通過生物技術培育高產(chǎn)、優(yōu)質、多抗品種是必由之路。
我國生物育種產(chǎn)業(yè)化研究只有10多年，而美國已有50多年。目前的主流技術是將1個基因或2個基因放到一個載體上再進行轉化。而隆平生物在007生物育種“芯片”技術立項并進行產(chǎn)品設計時，就定位在“人無我有、人有我優(yōu)”的高起點上，顛覆式創(chuàng)新、大跨度的差異化才能有突破、有市場、有后發(fā)優(yōu)勢。
在玉米產(chǎn)品研發(fā)方面，隆平007“芯片”含有3個抗蟲基因和1個抗除草劑基因，市場前景廣闊。改良品種能夠有效抵抗近10種害蟲，玉米產(chǎn)量提高15%以上。在玉米生長過程中，基本不用農(nóng)藥，農(nóng)民每畝地至少增收200元。
憑借國際領先水平的玉米生物育種技術，短短3年多時間，這支具備很強科研能力的團隊，成為海南玉米生物技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的強勁助力，對打造國家重點產(chǎn)業(yè)園區(qū)——崖州科技城“生物種業(yè)南繁硅谷”有示范效應。目前已研發(fā)出多個抗性優(yōu)良產(chǎn)品，獲得10余項國家發(fā)明專利授權。
當前海南省崖州灣種子實驗室建設進展順利，將成為我國生物育種研發(fā)新高地。隆平生物將繼續(xù)以生物技術引領種業(yè)核心技術創(chuàng)新，以市場化產(chǎn)品研發(fā)拉動種業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈升級，走出一條有中國特色的生物種業(yè)創(chuàng)新發(fā)展之路。
智慧育種將成種業(yè)核心競爭力
主持人：如何加強生物育種與信息技術結合，加快智慧育種？
錢前（中國科學院院士、中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所所長）：目前，全球種業(yè)發(fā)展進入空前密集創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革時期，作物育種正迎來以基因編輯、新一代測序等新型生物技術，與圖像識別、機器學習等信息技術融合的“生物技術+人工智能+大數(shù)據(jù)”智能化時代。智慧育種是科技發(fā)展帶來的新機遇，預計在未來10年至20年，智慧育種發(fā)展快慢勢必成為種業(yè)核心價值和競爭力的關鍵，由傳統(tǒng)育種到分子育種再到智慧育種，育種的“科學”成分含量越來越多，“藝術”成分含量越來越少。生物技術與信息技術結合，推動育種向精準化、高效化和規(guī)模化方向發(fā)展。我國種業(yè)面臨跨國公司壟斷、產(chǎn)業(yè)對外依存度高的局面，給作物育種帶來新挑戰(zhàn)，育種科技亟需革命性改變。
加大基礎性平臺研發(fā)力度，構建生物技術和信息技術基礎信息采集平臺，驅動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著基因編輯、合成生物等前沿生物技術興起，美國等發(fā)達國家和跨國種業(yè)公司不斷加強高通量、大型化、規(guī)模化、自動化科技基礎設施建設，加快農(nóng)業(yè)生物技術創(chuàng)新。歐美等發(fā)達國家和地區(qū)相繼建立高通量作物表型平臺等重大科技基礎設施，加快作物基因設計育種步伐。麻省理工學院、國際水稻研究所等研究機構建立了作物基因編輯、全基因組選擇、合成生物等分子設計育種相關平臺，專注理論基礎和應用基礎研究。我國也應圍繞生物育種前沿技術和重點領域部署一批具有國際一流水平的科技信息采集和服務平臺，為基礎性、前沿性和引領性核心技術攻關提供平臺支撐。
強化科學育種底盤技術創(chuàng)新，布局基因編輯和人工智能等前沿引領技術攻關。機器學習方法是人工智能的核心，農(nóng)作物全基因組選擇技術必將融入機器學習方法等人工智能核心技術，即通過基因型和表型等數(shù)據(jù)自動化獲取與解析，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)快速積累，通過構建多維度信息之間的數(shù)量遺傳模型，開展植物性狀調控基因快速挖掘與表型精準預測，實現(xiàn)育種方案智能化設計。同時整合全基因組選擇和基因編輯、轉基因技術等前沿高新技術，持續(xù)推動傳統(tǒng)育種技術改造升級，向精準化、高效化和規(guī)模化發(fā)展。
搭建精準鑒定種質資源共享數(shù)據(jù)庫，培育優(yōu)勢種質資源群和多元化底盤育種資源。種質資源不僅是保障國家糧食安全與重要農(nóng)產(chǎn)品供給的戰(zhàn)略性資源，更是農(nóng)業(yè)科技原始創(chuàng)新與現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展的物質基礎。依靠海量存儲和高性能計算技術，建設數(shù)字化種質資源庫，將海量種子基因數(shù)字化，才能為人工智能育種打下基礎。在高通量測序的大數(shù)據(jù)背景下，國際上對主要作物的基因組數(shù)據(jù)已經(jīng)有相對完備的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，智慧育種的任務之一是基于種質資源信息建立作物育種數(shù)據(jù)提取、挖掘、存儲、分析、共享數(shù)據(jù)庫，整合多組學數(shù)據(jù)開展聯(lián)合分析，突破生物大數(shù)據(jù)獲取、分析、挖掘等底層支撐技術，建立“數(shù)據(jù)—技術—算法—決策”一體化智慧育種策略，提升育種精準度，縮短育種周期，建立高效作物智慧育種體系。
建立以目標為導向的科企協(xié)同攻關團隊，促進智慧育種在實際育種中發(fā)揮作用。一方面，與跨國公司相比，我們目前以課題組為單位、上中下游分離的研發(fā)體系缺乏大群體選育等條件。另一方面，我國種業(yè)行業(yè)市場集中度低、科技創(chuàng)新能力不足、科研投入少、投入效率低，與跨國公司相比，在單獨一個企業(yè)內部實施全鏈條智慧育種可能性不大。因此，使研發(fā)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈有機融合，集聚科研院校和種業(yè)企業(yè)優(yōu)勢，實施以目標為導向的科企合作科研攻關模式勢在必行。
2021年6月，中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所與阿里巴巴達成合作，共同推動建立生物技術（BT）、信息技術（IT）與智能技術（AT）深度融合的“智慧育種”平臺，為加快培育作物新品種提供重要技術支撐。形象地說，智慧育種公共服務平臺像一個“中央廚房”，育種專家就是“廚師”，通過挑選“食材”和“配料”，根據(jù)作物基因型、表型、栽培措施、氣候環(huán)境數(shù)據(jù)和育種過程中相關圖像數(shù)據(jù)的查詢和聯(lián)合分析，模擬“烹飪”出他們想要的“菜肴”。該合作依托中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所農(nóng)作物基因資源與基因改良國家重大科學工程等設施，借助阿里巴巴在大數(shù)據(jù)處理、存儲和分析等方面的優(yōu)勢，構建覆蓋作物育種全鏈條、智能化“智慧育種公共服務平臺”，為國內育種專家提供公益、普惠的研究支撐服務，實現(xiàn)作物育種全流程數(shù)字化管理，提高作物育種信息化水平和育種效率，為綠色、優(yōu)質、高效等突破性品種選育提供強有力支撐。
