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中国水稻遗传学研究进展与分子设计育种

    水稻(Oryza sativa)作为全球最重要的粮食作物之一,养育着全世界半数以上的人口。早在明代,宋应星的《天工开物》里就有此著述:“天下育民人者,稻居什七”,可见千百年来,稻米一直是中国人的主粮。因此,水稻作物的安全生产直接关乎我国粮食安全和农业的可持续发展。

    新中国成立以来特别是改革开放以来,伴随着我国粮食生产取得举世瞩目的伟大成就,水稻产量也迅速增长。这种大幅度的增产主要归功于两次重要的遗传育种突破:第一次是上世纪60年代开始的矮化育种,半矮秆基因的应用和矮秆品种的培育使得水稻同时具备了抗倒伏和耐肥特性,导致水稻单产大幅度提升。矮化育种也因此被称为农业上的第一次“绿色革命”。第二次则是70年代以袁隆平院士为代表的我国科学家成功实现杂交水稻三系配套,杂交稻技术的突破又把水稻产量推向了一个更高的水平。20世纪的矮化育种和杂交稻育种技术不仅成功地提高了我国稻米产量,并确保产量稳步增长,同时也引领了世界水稻育种潮流。80年代,生物技术的发展又催生了分子标记辅助育种,这使得传统遗传育种有了一定的可追踪性。

    进入21世纪,我国水稻生产面临着新的严峻挑战。随着人口的不断增长、可用耕地和水肥资源的日益减少、自然灾害的频繁发生、生态环境压力的持续加大,粮食作物短缺将日益严重。预计到2030 年,我国人口将达到16.5亿,粮食缺口1.4亿吨。因此,如何突破传统遗传育种技术的瓶颈,将水稻分子遗传学和功能基因组学研究成果应用于水稻育种改良,实现更加高效和精确的水稻分子设计育种,已经成为新时代我国粮食安全和农业可持续发展所面临的重大科学问题。

    21世纪初我国科学家已经开始了水稻功能基因组学研究,通过瞄准高产、优质、抗逆等重要农艺性状,为确保我国水稻高产、稳产和可持续发展储备优良的基因资源。经过几十年的努力探索和积累,我国科学家不仅在水稻重要农艺性状基因解析方面取得了一系列重要的原创性研究成果,并且开创了以水稻为模式作物研究复杂性状基因调控网络的新领域。值得一提的是,2017年,李家洋院士、韩斌院士、钱前研究员、王永红研究员与黄学辉研究员率领团队完成的研究成果“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”荣获国家自然科学奖一等奖。这一重大成果是继“绿色革命”和“杂交水稻”后的又一次重大突破,为我国水稻分子设计育种与生产的跨越式发展奠定了开创性基础。以水稻关键农艺性状的功能基因为基础,通过分子设计育种制定高效的育种策略,能够大大提高育种效率,缩短育种时间,快速聚合优良性状,利用这一体系育成的水稻新品种已逐渐在我国水稻生产中产生重大影响,为解决水稻高产与抗逆、高产与优质等互相制约的难题,培育高产、优质、抗逆、营养高效利用的“绿色超级稻”提供了有效的途径。

    本篇综述论文从水稻复杂农艺性状基因的分离克隆和机理解析、水稻基因组重测序和复杂性状的全基因组关联分析等方面系统梳理了后基因组时代中国科学家在水稻复杂农艺性状基因解析等若干领域取得的重要研究成果。通过总结我国水稻遗传学的发展历程和研究进展,结合我国农业发展的实际国情和切实需求,明确了水稻分子设计育种技术对于保障我国粮食安全生产,实现农业可持续发展的重要战略意义。

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