种子是农业的“芯片”种子是农业的“芯片”
来源：
人民日报
日期：2022-04-11
责编：
殷绪江
一粒种子，一季收获。最近，北京市农林科学院玉米研究中心研究员赵久然先是去了海南的南繁基地，又马不停蹄地往山东跑了一趟。
“南繁育种收获后，接着要在北方播种，有些试验种子还要分发到全国很多试验点进行种植测试。”赵久然告诉记者，“品种育成后，只是完成了一半的工作；产业化和大范围应用，还是要交给企业。最近，一些种子企业正在跟我们搞产学研合作。”
种子是农业的“芯片”，关系着中国人的粮食安全，对于农业现代化更是发挥着基础性作用。一个新品种是怎么培育出来的？近年来我国种业科技攻关的进展如何？怎样让种业拥有更多“中国芯”？
优良种子可以贡献粮食增产量的45%—50%，但新品种培育周期长、难度大、失败率高
品种是指经过人工选择和培育，具有一定经济价值和共同遗传特点的一群生物体。稳定性、一致性和特异性，是某一作物群体成为品种的基本要求。
“生物最重要的两个特征，一个是遗传，另一个是变异。变异既有自然变异，也有人为创造产生的变异。”赵久然介绍，“人类进入农业社会之后，就有了驯化——把野生植物变成人工种植或栽培的，这是择优留种。真正的现代育种是在孟德尔发现遗传规律之后产生的，距今只有100多年。”
作物常规育种一般包括几个基本步骤：遗传变异的发现和创新，遗传变异的选择和固定，品种（组合、群体）的决选和审定，新品种繁殖和推广。
“育种是在现有种子的基础上进行改良，让它们变得更好，如产量更高、品质更优、抗虫耐旱等。”中国农业科学院作物科学研究所副所长、国家小麦产业技术体系首席科学家刘录祥说，“如何让产量更高？要去发现一些对产量有贡献的优良基因，渐进地进行一些重组和优化。”
育种说起来不难理解，但实际做起来周期长、难度大、失败率高。赵久然认为，把种子比作农业的“芯片”十分形象。芯片中有大量的晶体管，种子里也有数以万计的基因。作物性状首先是由基因来决定的，环境对基因的表达也有影响。“这些影响因素非常多，而且选育优良性状时，基因之间也有相互作用和影响，往往会出现顾此失彼的情况，所以培育出优秀品种难度非常大。”
刘录祥介绍，现代育种首先要把优良的基因发掘、鉴定出来，再把带有这些基因的材料梳理出来。这些材料进一步地杂交、分离、重组、筛选，最后把对育种目标有用的基因重新“组装”起来，同时把不利的基因淘汰掉。
育种对促进作物生产的作用显著，主要表现在提高产量、增强抗性、改善品质、提高生产效率等方面。刘录祥解释，育种技术的革新发展，是农作物增产最重要的基础之一，优良种子可以贡献粮食增产量的45%—50%。
此外，育种还能增强抗性，比如抗干旱、抗寒或耐高温，减轻病虫害等，在增强作物对不良土壤、水利条件的适应性，以及减少化肥和农药的使用等方面有巨大潜力。例如，超早熟大豆品种的育成，使我国黑龙江一些高纬度地区大豆生产迈上了新台阶；耐旱作物和耐旱品种的选育，则为半干旱地区农业生产的稳步增长作出了贡献。
20世纪以来，全球种业科技先后经历矮秆化、杂交化、生物技术3次主要的技术革命。当前，以“生物技术+信息技术”为特征的第四次种业科技革命正在孕育，推动种业研发、生产、经营和管理发生着深刻变革。
“特别是分子标记、基因编辑等技术，近年来得到了迅速发展。常规的杂交育种、诱变育种等，也在信息技术、航天科技等新手段的推动下，不断向前迈进。”刘录祥告诉记者。
种业科技水平稳步提升，但仍面临不少“卡脖子”难题
我国作为世界第二大种子需求国，种业市场规模超千亿元。经过多年持续攻关，我国种业科技水平稳步提升。水稻、玉米、小麦等三大主粮高效育种技术体系逐渐完善，主要农作物自主选育品种达到95％以上，基本实现主要粮食作物良种全覆盖。科技部农村科技司副司长、一级巡视员蒋丹平介绍，在国家科技计划等支持下，我国种业创新取得一系列重要进展。
以2021年为例，基础创新研究方面，提出了异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，揭示了玉米基因组中摩擦禾来源的大片段缺失变异的进化动态及功能影响；关键核心技术开发方面，开发出新型基因编辑工具，打破了国外垄断。
在新品种创制与应用方面，突破了小麦—冰草杂交国际难题，创制出增产10%以上的高产、抗病、抗逆等小麦—冰草新种质392份；第三代杂交水稻实现双季稻周年亩产1603.9公斤；首次成功选育出高抗赤霉病、抗白粉病的“双抗”高产小麦新品种——扬麦33号，有望成为我国新一代主导品种；小麦品种百农207、济麦22，玉米品种京科968、裕丰303、中科玉505等新品种的年应用面积超过1000万亩，为保障粮食安全发挥了重要作用。
看到成绩的同时，也要正视我国在种业科技方面还面临不少“卡脖子”的难题。刘录祥举例，我国一些作物如玉米、大豆等种子基本自给，但受育种及栽培等因素影响，单产还有很大的提升潜力；少数蔬菜品种还不能很好满足市场的多样化需求，一些适宜设施栽培、加工专用的蔬菜品种仍需进口。
导致种业科技短板的原因有多个方面。刘录祥进一步分析说：“比如，我们没有掌握支撑某些品种的重大基因，也缺少挖掘这些重大基因的工具和方法，这方面的差距主要源于基础研究。”
赵久然认为，育种是一个长期持续的创新过程，农作物育种平均周期都在5—10年。“科技项目一般周期是3—5年，有些项目期内创制出来的品种都是前期积累起来的，存在‘期限错配’，对科研人员长期稳定的支持不够。”
同时，种业是一个系统工程，涉及种质资源收集和评价，新品种选育、中试、推广，需要产学研密切协作。目前我国八成左右的种业科技资源和人才在科研单位，产学研深度融合、育繁推一体的商业化育种体系尚未健全。种业企业数量众多，但规模和竞争力不够，真正具备研发能力的种业企业少之又少。
知识产权问题也不容忽视。自1999年实行植物新品种保护制度以来，我国农业植物新品种权申请总量已经突破5万件，目前已授权近2万件。然而，“短平快”的模仿式育种具有普遍性，种子市场假冒伪劣、套牌侵权等违法犯罪行为也时有发生。
刘录祥认为，侵权行为导致品种同质化，严重挫伤了创新主体的积极性，影响了科研投入，非常不利于激发育种原始创新活力。“随着新修订的种子法实施，将实行实质性派生品种制度，全方位扩大植物新品种权保护范围，大幅度提高侵权损害赔偿标准，进一步健全激励种业原始创新的法律制度，对推进种业振兴具有标志性意义。”
无论是解决育种难题还是实现追赶超越，都需要有更大力度、更远谋划的创新作为
“无论是解决育种难题还是实现追赶超越，都需要有更大力度、更远谋划的创新作为。”蒋丹平表示，科技部将从“支撑、引领、走出新路”三个方面发力，深入推进种业科技攻关，加快实现种业科技自立自强。
支撑方面，围绕产业链部署创新链，将系统部署一批国家重点研发项目，建设种业领域国家重大创新平台，推进种业国家技术创新中心建设布局等。引领方面，围绕创新链布局产业链，加快启动农业生物育种重大项目，驱动基因编辑、全基因组选择、合成生物学、生物大数据和人工智能等跨学科技术深度交叉融合与系统集成；鼓励和支持企业积极参与国家种业领域科技计划，择优支持中小企业科技创新。
走出新路方面，针对重大、紧迫、长期瓶颈制约的任务，实行“揭榜挂帅”机制；针对区域特色种质资源挖掘与创新利用等任务，采取“部省联动”机制，强化资源、管理、政策联动，推动成果落实落地；针对聚焦关键核心技术可取得原创性研究成果的任务，采取青年科学家领衔机制，鼓励自由探索，推动青年科技人才脱颖而出。针对大家畜、林木等育种周期长的特点，探索实行长周期支持机制等。
“在2021年发布的国家重点研发计划中，有19个项目采用‘揭榜挂帅’形式组织，只要有能力解决种业创新的问题，英雄不问出身，鼓励参与竞争。”蒋丹平举例说，“我们的青年科学家机制，改变了以往大项目、大团队的申请方式，只要你在单点上有突破，能够实现原始创新，同样可以申请。在青年科研人员思想活跃、年富力强的时候，从国家科技计划层面给予支持，为他们承接更大的课题打下基础。”
针对育种科研周期长的特点，今年科技部将遴选一批项目，采取长周期的支持方式。“纳入支持机制以后，我们采取3年评估、5年滚动的模式，鼓励科研人员潜心探索。”蒋丹平说。
2021年11月，赵久然主持的“高产优质、多抗广适玉米品种京科968的培育与应用”项目，获2020年度国家科学技术进步奖二等奖。从2001年开始种质资源鉴选，到2011年品种通过国家审定后进行产业化和大面积示范推广，再到2021年获奖，赵久然的科研生涯是以10年为单位计算的。他的经历印证了育种不仅需要知识和智慧，更需要恒心和勇气。
