种质创新带动蔬菜种苗产业升级
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目前,我国蔬菜种苗产业面临着优异种质短缺与环境恶化,以及全球性蔬菜种业竞争等一系列压力,有系统、有目标地开展蔬菜优异基因资源的创新研究,就显得十分迫切。通过组织以产学研相结合、企业为主体的种质创新研究,开展高通量资源评价和功能基因挖掘,利用分子标记辅助选择、远缘杂交、基因遗传转化和单倍体快速纯化等技术,结合常规育种进行优异种质的创新,将是提高我国蔬菜种苗产业创新能力与产业升级的有效途径。
长期以来,我国蔬菜品种的商业化开发与资源基础性研究的头重脚轻态势,已经开始暴露出主要商业品种的遗传相似性愈来愈高,优良育种材料愈益难求的问题。从现实与长远看,在种质创新能力上的欠缺已成为我国蔬菜良种产业化持续发展的障碍。近年来,农业资源短缺以及设施蔬菜中的生物或非生物逆境压力加大等问题变得尤为突出,而相对应的种质缺乏的矛盾日渐凸现,对蔬菜种质创新的研究提出新的挑战。另外,跨国公司如孟山都、先正达、利马格兰、海泽拉、瑞克斯旺、安莎等控制了中国高端蔬菜种子50 %以上的市场份额,国内高端品种面临全线失守的困境。基于目前形势,我国种子产业应尽快建立起以科研院所和高等院校为主体的新技术与新方法创新体系,以及以企业为产业创新主体的新品种创制与良种产业化的现代种业科技创新体系,通过种业技术创新战略联盟以及知识和资本重组等各种途径,加快两者相互融合相互促进,推动我国种业的跨越式发展。在现有条件下,构筑以分子育种技术为核心的新型高效蔬菜种质创新技术体系,通过种质创新带动蔬菜种苗产业升级已成为当务之急。
1蔬菜种苗产业的发展格局
未来农业的竞争已经变成了种业的竞争,种业已成为衡量一个国家农业科技水平高低的标志。蔬菜种业是世界种子市场重要的组成部分。据统计,2008年世界蔬菜种子的市场价值达38亿美元。发达国家种子公司或他们的国际联合体是蔬菜种业的主体,掌控着大部分蔬菜种子市场和种业的发展走向。
2008年,我国蔬菜种植面积1 786.7万hm2,产量5.92亿t,生产总产值突破8 000亿元,占种植业总产值的比例超过30 %。可见,蔬菜已成为我国农民增收的支柱产业。我国蔬菜种苗产业价值巨大,每年需良种3 000万～4 000万kg,市场价值已达100～150多亿元,而目前的销售额大约只有50亿元,还有50～100亿元的上升空间。另外,我国种子价格偏低,国产种子的价格只有进口种子价格的1/5～1/8,或者更少;种子成本占种植业产值只有1.5 %,远远低于美国的6 %。这意味着我国蔬菜种业尚有巨大的利润空间。由于我国蔬菜种业市场巨大、劳动力便宜、研发队伍庞大并具有明显的自然资源与区位优势等,使得我国成为了蔬菜产业发展的适宜地区和国际资本与技术的最佳转移地。因此,目前国际种业的战略转移既是挑战又是机会,我国应抓住机会,尽快建立起符合国际规范与种业科技创新规律的体制机制,发挥“后发”于国内大市场的优势,通过种质创新的基础性研究,为我国蔬菜种业跨越式发展奠定坚实的基础。
2国内外蔬菜种质创新研究现状分析
2.1蔬菜种质资源的研究现状
种质资源是控制性状的基因的载体,掌握了基因资源就掌握了未来的农业。发达国家依靠其技术实力和经济保障以及高素质的人才队伍,加强了种质资源这一农业永恒主题的研究。美国原本是一个农作物种质资源相对贫乏的国家,但目前保存的植物材料已达464 901份,蔬菜资源亦超过4.3万份。前苏联瓦维洛夫从1920年开始,进行了200次、60多个国家的考察和资源收集,目前该研究所已有各类蔬菜种质6万余份。
据初步统计,我国国家资源库保存了蔬菜种质资源21个科70个属132个种,5.04万份,西甜瓜3 600份。在蔬菜作物种质资源保存量方面总体与国外持平。尽管如此,由于资金和技术等方面的原因,“费时、费力”的资源研究无暇顾及或难以为继,与发达国家相比,我国在种质资源的收集、保存、评价、利用和共享方面,特别是在种质创新研究上还存在较大差距,许多抗病、抗逆、优质基因资源仍然十分缺乏,优异性状的高效聚合技术还严重滞后,仍很难满足蔬菜产业的发展需求。
2.2种质创新技术体系的革命性变化
国际科学界已经公认,新基因的发掘是农业科学发展和生物技术产业的创新源头。如何快速、高效地从基因组中获取生物信息,已成为当前急迫而富有挑战性的课题。国际上,以番茄为代表的蔬菜作物分子育种研究已取得了举世瞩目的成就,为现代作物育种赋予了新的动力。主要表现在:绘制了主要蔬菜作物的高密度分子遗传图谱和物理图谱;先后启动了主要蔬菜作物如番茄、白菜、西瓜、黄瓜等的全基因组测序计划;以Microarray、RNAi和新一代测序技术等为代表的高通量技术手段带动了功能基因组研究的突飞猛进;一些重要的农艺性状基因被定位或克隆,并用于分子标记辅助育种;以自动化检测技术和基因芯片为载体的高通量分子标记辅助育种技术在商业育种行为中发挥了巨大作用。综观国际基因组研究前沿,我们仍处在蹒跚学步阶段,目前还缺乏大批量的高效分子标记,缺乏高通量检测手段以及高效的聚合技术体系与设备等等,这些都限制了高通量基因挖掘和种质创新的进步。
3我国蔬菜种质创新与新品种选育存在的问题
从表观层面来看,存在:(1)育种血缘基础狭窄,商业品种的相似性愈来愈高,革命性品种难求;(2)生产中紧缺性状长时间无法解决;(3)育种新技术应用不多,育种效率长期无根本性提高。
从技术层面来看,存在:(1)资源收集的广度与深度不够,国际交流有限,开放与国际规范化的程度待提高,重点是收集野生材料;(2)资源评价与遗传拓宽的系统性与协作体系尚未建立,原创性不多;(3)优异基因挖掘与聚合技术研究不够;(4)资源信息共享平台与网络技术待开发。
从政策与体制层面来看,存在:(1)决策层尚未理清公益性资源创新与商业品种研发之间的政策导向;(2)公立育种机构庞大,重复研究过多,机构改革不到位,商业品种选育的急功近利冲淡了种质创新的原创性与系统性;(3)公益性资源创新体系的体制与机制尚未建立,人才布局与重视程度欠缺,商业育种家依然是主体,社会共享体系不健全;(4)在倡导企业为创新主体的同时,忽视了国内企业与科研院所企业的现实状况,一味的“拉郎配”,无益于企业创新能力的提升,尚未出现科技创新型的蔬菜种子企业。
蔬菜种业的科技创新需要种业管理体制的突破和创新,一方面要培育科技创新型企业,以市场开拓为动力,技术创新实力为基础,资本技术股份为运行机制,整合出可以抗衡国外种苗企业的国内超一流的蔬菜种业公司;另一方面要建立公益性创新体系,以原始创新为目标,服务产业为落脚点,公共财政为主、企业支持为辅,创建机构精简、人员素质高、布局分工合理的全国公益性资源创新机构体系。
4蔬菜种苗产业对优异种质需求迫切
各种蔬菜作物对种质的需求主要有以下几方面:
(1)温室、大棚等设施栽培专用番茄、甜椒、茄子、黄瓜、西瓜等果菜类蔬菜种质。除要求可复合抗病(特别是土传病害,如根结线虫和枯萎病等)、优质、丰产外,还要求耐低温、耐弱光,持续结果能力强,单性结实性好。
(2)温光逆境反季节蔬菜种质,主要包括优质耐抽薹、耐热的大白菜和耐抽薹、抗病、耐裂球的甘蓝等。这类品种主要来自日本和韩国,在春夏蔬菜生产中占尽先机,急需国内品种来替代。
(3)加工用蔬菜种质,如可溶性固形物、番茄红素含量高的加工番茄,辣椒红素、辣椒素、干物质含量高的加工用辣椒,叶球绿色、干物质含量高的加工用甘蓝等。
(4)出口创汇专用蔬菜种质需求,如符合外商要求的高品性、耐贮运的番茄、甘蓝种质,花蕾紧实、细腻、花茎粗而实的青花菜种质等。
(5)节水种质需求。水资源短缺是我国面临的主要问题,各类耐旱作物种质需求迫切。
(6)特色类型种质需求。为适应不同市场和饮食文化发展的需求,蔬菜品种类型不断丰富,在形、色、香、味等方面向“多样化”的方向发展。如水果型迷你黄瓜、樱桃番茄、小型西瓜、娃娃菜等,这些产品品质好,适合现代小型家庭消费的需要,受到消费者的青睐。
5通过种质资源创新技术体系升级带动蔬菜种苗产业发展
高效种质创新技术的建立以及新的基因资源的挖掘,无疑是打破“瓶颈”,改变我国蔬菜育种的“爬坡”状态并有所突破的一种有效途径。拟从以下几个方面全面布局,针对不同的蔬菜作物可采取不同途径或多个途径的组合重点突破,有望通过一个种质的创新带动一批企业的发展,从而推动一种蔬菜种业的兴旺。
5.1加强种质资源的共享体系建设
加强资源共享网络建设是整合农作物品种创新科技资源的前提,是提升种质资源创新能力的关键。在现有的条件下,进行蔬菜种质资源的共享和协作创新虽困难重重,但依然是提升我国蔬菜种苗产业核心竞争力的必由之路。
5.2发展高通量资源评价与遗传分析技术
建立高通量资源评价技术体系,大规模发掘优异种质或基因,构建核心种质或各种微型种质群,重点为育种家提供以下4类材料:未来具有增产潜力的种质,病虫害的新抗源,抗逆性和适应性更强的种质,改进品质所需的种质。
5.3利用资源基因组研究工具大规模挖掘功能基因
基因组学的飞速发展对基因发掘的新理论和新方法都产生了巨大的促进作用。目前的研究重点是,从野生蔬菜资源和我国特有的地方品种、遗传材料、突变体等种质中发掘高产、优质、抗病、抗旱、耐冷、耐盐、耐热、耐抽薹等优异基因资源,开展基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学研究,从中挖掘和克隆新基因。
5.4分子标记辅助选择技术进入实用化
种质创新效率的高低在很大程度上取决于追踪、聚合目标基因的能力。发展规模化、高通量、低成本的基因鉴别技术以及优异基因的高效聚合技术将是实现优异种质创新的关键所在。
5.5单倍体快速纯化技术突破
单倍技术是加速种质材料纯化、缩短育种年限的有效途径。基因型偏性、胚状体诱导频率、植株再生、加倍等仍然是主要问题。如再进一步有所突破,并在种质创新上大规模应用且成为一项常规技术,将是提高我国种质创新速度的最简便的途径。
5.6通过远缘杂交和细胞杂交技术创制新种质
远缘杂交是转育野生种抗病虫基因的最常用的方法。体细胞杂交,特别是新近发展起来的原生质非对称融合技术为野生资源的有效利用提供了新的方法。研究并建立与之相关的配套技术也不失为一个有效的资源创新的途径。
5.7通过基因工程引入外源基因
在转基因研究中,最为主要的是没有自主知识产权的基因,同时多个蔬菜作物的转化效率、基因表达稳定性等方面也有待提高。目前进入转基因蔬菜中试的品种还少之又少。
5.8常规育种结合分子标记技术有目的拓宽遗传基础
有资源只是第一步,如何有效地聚集优异基因才是资源创新的最终目标!目前实施的“全球水稻分子育种计划”为常规育种结合分子标记技术有目的拓宽蔬菜的遗传基础与高效聚合优异基因资源,提供了良好的范例。通过大规模杂交、回交和分子标记辅助选择相结合的方法,有目的的将优异种质资源中的大量优良基因和性状导入骨干自交系中,实现优良基因资源在分子水平上的大规模聚合,并拓宽现有蔬菜品种遗传基础,是综合利用分子育种技术实现蔬菜种质创新重大突破的可行的路线。