2022-05-10 10:06:49
8年來，張大健的工作一直都和大豆育種有關(guān)。
作為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院青年教師，36歲的張大健教授帶領(lǐng)團隊成員聚焦大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新，在拓寬遺傳基礎(chǔ)、聚合優(yōu)良基因、科技開發(fā)及生產(chǎn)服務(wù)等方面做了一系列工作。
今年3月，該團隊解析了大豆進化歷程，首次獲得了多年生野生大豆的高精度基因組圖譜，高效準確挖掘了大豆基因組的結(jié)構(gòu)變異，拓寬了大豆分子育種可利用的基因資源，為大豆遺傳基礎(chǔ)解析、馴化性狀調(diào)控基因挖掘及種質(zhì)創(chuàng)新提供了重要理論支撐，成果在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然—植物》在線發(fā)表。
大豆是重要的糧油飼兼用作物，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要戰(zhàn)略地位，但自給率較低，是我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域突出的一道難題。
今年，實施大豆產(chǎn)能提升工程列入中央一號文件。“創(chuàng)新大豆種質(zhì)資源，培育優(yōu)良品種，提升大豆油料產(chǎn)能和自給率，是解決這一難題的根本之策。”張大健說，“基因是種質(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，要想實現(xiàn)種質(zhì)創(chuàng)新，必須利用先進的科技手段搞清楚大豆的基因組信息。”
作為大豆起源國，我國保存著世界上最豐富的大豆種質(zhì)資源。栽培大豆由祖先野生大豆長期定向選擇、改良馴化而成，但在長期馴化和改良過程中，僅有少量基因資源被選擇。
據(jù)前期科研數(shù)據(jù)，從又黑又小的野生大豆到又黃又大的栽培大豆，這個進化過程中丟失了約70%的基因位點，因而在栽培大豆中產(chǎn)生了嚴重的遺傳瓶頸效應(yīng)，極大限制了栽培大豆產(chǎn)量提高與品質(zhì)改良。
“多年生野生大豆主要生活在熱帶和亞熱帶地區(qū)，遺傳多樣性豐富，具有較強的抗逆、抗鹽堿、抗蟲、耐旱、耐熱等特性，是栽培大豆進行性狀改良的重要遺傳資源。”張大健說。
野生大豆的這些豐富遺傳變異，為重要農(nóng)藝性狀的挖掘和育種提供了寶貴的資源，但由于其基因組龐大、重復(fù)序列多和高度雜合等特性，一直缺乏高質(zhì)量染色體級別的參考基因組，更沒有泛基因組圖譜。
從野生大豆到栽培大豆，馴化過程中到底發(fā)生了什么變化？大部分的基因位點丟失到哪里了？張大健團隊的研究目標鎖定為解析野生大豆進化歷程，破譯大豆育種“密碼”。
張大健帶領(lǐng)團隊人員制訂了“兩步走”計劃：先搞基礎(chǔ)研究，識別高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)基因；再利用基因資源，實現(xiàn)大豆“定制化”分子育種。
“真正開始做，才知道這件事有多難。”張大健毫不避諱地說，“一粒種子攜帶的基因，決定了它的產(chǎn)量和品質(zhì)，誰能夠破解基因的密碼，誰就占領(lǐng)了育種的制高點”。
破譯大豆育種密碼，首先要收集材料，建立基因資源的“蓄水池”。
科研團隊在世界范圍內(nèi)選取了5個有代表性的二倍體多年生野生大豆品種和1個自然形成的異源四倍體多年生野生大豆，進行全基因組測序，綜合利用二代、三代、Hi-C等測序技術(shù)，組裝得到了染色體級別的高質(zhì)量參考基因組，首次構(gòu)建了多年生野生大豆泛基因組，并鑒定出109827個多年生大豆中的非冗余基因位點，發(fā)現(xiàn)其中約70%的基因位點在一年生大豆亞屬中丟失，這為大豆育種提供了豐富的遺傳多樣性基礎(chǔ)。
此外，團隊還鑒定出183個大片段基因組結(jié)構(gòu)變異，這些變異影響著大豆開花時間、抗病性、抗逆性等重要的表型特征。
“結(jié)構(gòu)變異是指基因在染色體空間結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)倒位、異位等現(xiàn)象，可能對基因的表達或功能產(chǎn)生影響。”張大健解釋說，“準確解析這些結(jié)構(gòu)變異對于顯著提高大豆產(chǎn)量、改良大豆品質(zhì)等農(nóng)藝性狀具有重要意義”。
該成果在《自然—植物》發(fā)表后，大豆遺傳育種學(xué)家孔凡江評價，這一研究不僅解析了大豆進化歷程，而且高效準確挖掘了大豆基因組的結(jié)構(gòu)變異，為大豆的遺傳基礎(chǔ)解析、馴化性狀調(diào)控基因挖掘及大豆種質(zhì)創(chuàng)新提供重要的數(shù)據(jù)支撐。
大豆要高產(chǎn)，品種是核心。
經(jīng)過調(diào)研和分析，團隊將下一步的目標鎖定為利用“定制化”分子育種，培育高產(chǎn)和耐鹽堿大豆。
“黃河三角洲每年新淤土地約3萬畝，尚有約280余萬畝鹽堿地待開發(fā)利用，利用生物技術(shù)手段改良大豆抗鹽堿能力，創(chuàng)造出耐鹽新種質(zhì)（系），培育出耐鹽新品種具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。”張大健說。
想要做好育種工作，足夠多的種質(zhì)資源尤為重要。
張大健帶領(lǐng)團隊收集黃淮海地區(qū)內(nèi)野生大豆種質(zhì)資源，篩選了1000多份大豆材料，利用形態(tài)標記和DNA分子標記進行遺傳多樣性分析，通過主成分分析和聚類分析，揭示了黃淮海區(qū)域內(nèi)野生大豆的分布狀況、遺傳結(jié)構(gòu)及親緣關(guān)系，最終得到顯著耐鹽堿大豆種質(zhì)材料36份、高產(chǎn)種質(zhì)材料21份，建立起黃淮海區(qū)域野生大豆核心種質(zhì)庫，為育種研發(fā)提供了樣本。
根據(jù)野生大豆核心種質(zhì)庫的信息，張大健團隊與全國最大的大豆種業(yè)公司聯(lián)合攻關(guān)，選育出兩個適宜黃淮海地區(qū)種植的高產(chǎn)、高油、耐鹽堿的大豆新品種——“山豆1號”和“山豆2號”。
目前，這兩個大豆品種均已開始進行山東省夏大豆區(qū)域試驗。經(jīng)田間種植“考驗”，產(chǎn)量遠超當前我國大豆平均畝產(chǎn)。豆子顆粒飽滿，出油量大，試種的農(nóng)民心里樂開了花。
一粒新種子的出現(xiàn)，往往意味著更高的產(chǎn)量和更好的經(jīng)濟效益。張大健算了筆賬：高產(chǎn)抗逆的大豆新品種大面積推廣后，預(yù)計正常種植條件下，產(chǎn)量能提高10%；而鹽堿地種植條件下，大豆產(chǎn)量能提高10%-15%。以每畝產(chǎn)120公斤大豆估算，按約30%的未開發(fā)鹽堿地種植大豆，預(yù)計每年收獲約18萬噸大豆，按每公斤8元計算，可給農(nóng)民帶來約14.4億元的收入。
寒來暑往，科研工作者的艱辛付出自不待說。張大健說，從事大豆育種的那一天起，他就像所有育種人一樣，把培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)品種當作自己的核心目標，為中國大豆增產(chǎn)，為中國農(nóng)民增收，是他一直努力的動力。
來源：中國青年報
編輯：牛姣
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