破译育种“密码” 助大豆逆势增产

2020年，我国大豆平均亩产132.4公斤，比2016年提高11%。“在主产区立地条件欠佳的不利形势下，大豆亩产水平的提高，得益于育种科技的进步。”中国工程院院士、中国农业科学院副院长万建民说。
“面对大豆消费需求的不断增长，我国大豆总产量还需提高。”北京大北农生物技术公司南美业务负责人于彩虹表示，随着种植结构调整及“大豆振兴计划”的实施，近年来我国大豆实现稳定增产。我国生物育种技术自主培育的大豆品种也开始大范围推广，并逐渐走向国际。
长童期基因J 让低纬度地区也能种植大豆
传统大豆育种方法主要依赖于表型选择，效率较低，而生物育种技术能够显著提升大豆性状改良与品种创新效率，有助于高效培育具备综合抗逆性的环境友好型品种。
“大豆生物育种策略的关键是，挖掘大豆育种关键基因，改良和创制优异的育种基础材料，构建分子育种平台，发展智能设计育种。”于彩虹说。
大豆是光周期敏感的短日照作物。大豆对光周期的反应通常影响着成熟期的长短，从而影响产量。具体表现为同一品种在高纬度地区光照时间长、开花晚、成熟晚、产量高；而在低纬度地区光照时间短，则开花期提前，成熟较早，产量低。历史上大豆驯化与选育主要在中高纬度地区完成，而低纬度地区则长期被认为不适于大豆的种植及生产。大豆长童期性状在20世纪70年代被发现，并成功应用于低纬度地区大豆育种。20世纪90年代，研究发现J是控制大豆长童期性状的关键位点，然而其编码基因和分子调控机制一直未明确。
2017年和2020年，广州大学教授孔凡江、刘宝辉团队先后报道了大豆长童期关键基因J的克隆及进化机制研究成果，揭示了大豆光周期调控开花的分子调控网络，系统阐释了大豆中高纬度适应的多基因进化机制。
长童期基因J可以作为改良大豆短日照高温适应能力的分子靶点。大豆具有长童期性状就可在短日照条件下，延长成熟期并提高产量。研究发现，长童期基因J促进了光周期开花，且该基因突变型可推迟低纬度短日照条件下大豆开花时间，使大豆产量比野生型提高30%~50%。
首个大豆泛基因组 为推进分子育种奠定基础
高质量参考基因组是作物育种基础研究和应用研究的基础。我国科学家曾经成功对大豆品种“中黄13”参考基因组进行了组装和注释，然而不同大豆种质资源之间存在较大的遗传变异，单一或少数基因组不能代表大豆群体的所有遗传变异，大豆分子设计育种亟须能够代表不同大豆种质材料的全新基因组资源。
2020年，中国科学院田志喜、梁承志等研究者通过全基因组重测序对全球2898份具有遗传多样性的大豆种质材料进行分析和鉴定，进而构建了世界首个大豆泛基因组。
本次泛基因组研究所选用的大豆种质材料具有重要的育种和生产价值，其中“满仓金”“十胜长叶”等种质材料作为骨干核心亲本已各自培育出“黑河43”“齐黄34”等上百个优良新品种，这些品种被各个大豆主产区大面积推广种植。
“分子标记辅助选择、全基因组选择等是分子育种的代表性技术，其旨在对大豆内源基因进行聚合或修饰，赋予大豆新的性状，而这些育种技术的应用都依赖于对大豆功能基因组的深入研究和全面了解。”于彩虹说。
因此，大豆泛基因组和相关自然群体遗传变异的发布为大豆育种技术研究提供了重要的资源和平台，也为推进大豆分子设计育种、提升大豆产量奠定了基础。
此外，“十三五”期间，国内科研院所还通过全基因组关联分析、连锁分析，基因组重测序等分子手段，鉴定克隆了一系列与大豆产量、品质、抗逆性、生育期等重要性状相关的关键基因，解析了一批新基因的功能和重要性状形成的分子机制，构建了大豆分子育种平台。
大豆育种特征 从以产量为核心走向区域化“定制”
我国大豆种植主要分布于安徽、河南等省份，近年来国内大豆平均亩产有一定提高，但仍处于较低水平，大豆种植综合收益不佳。
“我国大豆种植区域广，不同产区地理环境差异大，而大豆的光周期反应敏感性一定程度上限制了品种的广适性，只有培育适宜不同地区的区域型大豆品种，才能有效提高国内大豆总产量。”于彩虹说。
“十三五”期间，大豆新品种的培育从以产量为核心向优质专用、抗病抗逆、资源高效、管理轻简化的多元化方向发展，以满足不同大豆生态区对品种的个性化需求。
随着大垄密植、浅埋滴管、免耕覆秸等技术模式的不断成熟，良种良法结合，刷新了小面积高产纪录，创造了大面积高产典型。于彩虹举例说：“齐黄34”“中黄301”等耐密抗倒品种的育成，有效地满足了黄淮海地区机械化免耕覆秸种植对品种的新需求。
（马爱平）