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【动科普】基因编辑如何点燃第三次水稻革命?

来源:光明网2020-10-26 10:26

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  全中国有60%以上的人都以水稻为主食,为了让14亿人口吃饱饭,我国水稻培育已经经历了两次“绿色革命”:第一次通过水稻矮化育种,亩产提高了将近45%;第二次就是有名的杂交稻时代,由袁隆平院士研究出的第四代杂交水稻,已经向着亩产1500公斤进发!

【动科普】基因编辑如何点燃第三次水稻革命?

  但是杂交稻的培育过程并不容易,一是杂交育种的后代长得怎么样,随机性很大;二是想培育出好品种需要的时间周期很长,甚至不止几十年。此外,杂交稻每年都要重新制作下一年农民要用的杂交种。这些都给杂交育种带来了重重困难。

【动科普】基因编辑如何点燃第三次水稻革命?

  当前,杂交水稻已经做到了让大家都吃得饱。但是想要得到吃着更香、更营养的大米,利用杂交技术就有些“捉襟见肘”了。令人欣喜的是,水稻的“第三次绿色革命”已经开始,科学家们利用基因编辑技术就可以解决上述问题。

【动科普】基因编辑如何点燃第三次水稻革命?

  有人不经要问:基因编辑和转基因技术如何区分?千万别弄混了。用基因编辑技术进行育种,所改变的基因都是生物本身的基因,科学家通过分子技术手段进行检测,来决定哪些基因是我们所需要的、哪些基因是我们所不需要的,只要通过基因编辑的手段将某一个或几个基因删除,或调整它们发挥作用的程度,就可以达到精准育种的目标了。

【动科普】基因编辑如何点燃第三次水稻革命?

  2001年10月12日,中国科学家就向全世界宣布,中国率先完成水稻(籼稻)基因组工作框架图的绘制,并免费公布全部序列数据。我国科学家已经相继定位克隆了300余个控制水稻高产、优质、抗逆、营养和高效等重要农艺性状的功能基因。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究组、中国水稻研究所钱前研究组与上海生命科学研究院植物生理生态研究所何祖华研究组,合作找到了具备形成大穗、适中分蘖和稻秆粗壮、抗倒伏等特征的,理想株型的关键基因IPA1,并让它适度表达,为进一步解析水稻株型精细调控机理和水稻新品种的设计培育奠定了基础,这个基因应用于培育“嘉优中科”系列水稻新品种后,不但提高了水稻产量,还增强了对稻瘟病的抗性。

  此外,我国的农业科学家经过不断的探索,发现了壮秆基因TB1,它既能促进茎秆变粗,又能增加穗粒数;还发现了控制着稻谷的形状和生长发育进程中的一系列生理生化过程的基因等等。现在看来,给水稻进行基因编辑,能使我们的生活更美好。

  【知识点小贴士】

  第一次绿色革命——矮化育种:上世纪60年代,以降低农作物株高、半矮化育种为特征的第一次“绿色革命”,使得全世界水稻和小麦产量翻了一番,解决了温饱问题。第二次世界大战后,随着人口的增加,国际市场对农产品需求激增,急需以改良种子为中心大幅度提高土地生产率。与此同时,化肥的大量使用使得原有高杆品种倒伏现象严重,成为限制产量的主要因素。因此,需要利用“矮化基因”,培育和推广矮秆、耐肥、抗倒伏的高产水稻、小麦、玉米等新品种,提高农作物单产,解决发展中国家的粮食问题。

  第二次绿色革命——杂交稻:在生物界中,两个遗传基础不同的品种间或相近物种间进行杂交,其杂交子一代在生长势、生活力、适应性和产量等性状上优于双亲,这种现象就是杂种优势。在植物中同样存在着广泛的杂种优势现象,育种家培育了大量杂交作物并推向市场,如目前商业化玉米基本都是杂交品种。水稻是雌雄同花作物,无法像玉米等雌雄异花作物那样可以通过人工(或利用机械)去除母本自交系的雄花,以另一自交系(父本)的花粉进行授粉大量获得杂交种。因此,单纯依靠人工去雄来大规模完成杂交水稻制种是不现实的。利用水稻雄性不育系作为遗传工具,使得杂交过程中最为麻烦的“去雄”这一步可以省略,成功实现了杂交稻的大批制种及大面积推广,表现出强大的杂种优势,产量比常规品种高20%左右,大大提高了水稻产量。

  水稻基因组工作框架图:指通过DNA测序和计算机排序的方式,获得的覆盖率超过全部DNA序列90%以上的基因组“草图”。 通过对水稻全基因组序列分析,可以获得大量的水稻遗传信息和功能基因;全面了解其遗传机理。这为世界粮食作物的基础和应用性研究提供宝贵的数据化信息,促进了我国生物技术的产权化、产业化进程,也大大促进了我国在水稻功能研究领域的快速发展和新的突破。

  科学文本:毛志明 王春

  监  制:程维红 战钊

  统  筹:徐琴 宋雅娟 赵清建

  策划文案:宋雅娟 张蕃

[ 责编:肖春芳 ]
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