中國青年報2022-05-10 10:25:06
8年來，張大健的工作一直都和大豆育種有關。
作為山東農業大學農學院青年教師，36歲的張大健教授帶領團隊成員聚焦大豆種質資源創新，在拓寬遺傳基礎、聚合優良基因、科技開發及生產服務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構變異，拓寬了大豆分子育種可利用的基因資源，為大豆遺傳基礎解析、馴化性狀調控基因挖掘及種質創新提供了重要理論支撐，成果在國際知名學術期刊《自然—植物》在線發表。
大豆是重要的糧油飼兼用作物，在國民經濟發展中具有重要戰略地位，但自給率較低，是我國農業領域突出的一道難題。
今年，實施大豆產能提升工程列入中央一號文件。“創新大豆種質資源，培育優良品種，提升大豆油料產能和自給率，是解決這一難題的根本之策。”張大健說，“基因是種質創新的基礎，要想實現種質創新，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。
據前期科研數據，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生了嚴重的遺傳瓶頸效應，極大限制了栽培大豆產量提高與品質改良。
“多年生野生大豆主要生活在熱帶和亞熱帶地區，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、重復序列多和高度雜合等特性，一直缺乏高質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”。
張大健帶領團隊人員制訂了“兩步走”計劃：先搞基礎研究，識別高產和優質基因；再利用基因資源，實現大豆“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，決定了它的產量和品質，誰能夠破解基因的密碼，誰就占領了育種的制高點”。
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，組裝得到了染色體級別的高質量參考基因組，首次構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，發現其中約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。
此外，團隊還鑒定出183個大片段基因組結構變異，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。
“結構變異是指基因在染色體空間結構上出現倒位、異位等現象，可能對基因的表達或功能產生影響。”張大健解釋說，“準確解析這些結構變異對于顯著提高大豆產量、改良大豆品質等農藝性狀具有重要意義”。
該成果在《自然—植物》發表后，大豆遺傳育種學家孔凡江評價，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構變異，為大豆的遺傳基礎解析、馴化性狀調控基因挖掘及大豆種質創新提供重要的數據支撐。
大豆要高產，品種是核心。
經過調研和分析，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利用，利用生物技術手段改良大豆抗鹽堿能力，創造出耐鹽新種質（系），培育出耐鹽新品種具有廣闊的產業化前景。”張大健說。
想要做好育種工作，足夠多的種質資源尤為重要。
張大健帶領團隊收集黃淮海地區內野生大豆種質資源，篩選了1000多份大豆材料，利用形態標記和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，揭示了黃淮海區域內野生大豆的分布狀況、遺傳結構及親緣關系，最終得到顯著耐鹽堿大豆種質材料36份、高產種質材料21份，建立起黃淮海區域野生大豆核心種質庫，為育種研發提供了樣本。
根據野生大豆核心種質庫的信息，張大健團隊與全國最大的大豆種業公司聯合攻關，選育出兩個適宜黃淮海地區種植的高產、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域試驗。經田間種植“考驗”，產量遠超當前我國大豆平均畝產。豆子顆粒飽滿，出油量大，試種的農民心里樂開了花。
一粒新種子的出現，往往意味著更高的產量和更好的經濟效益。張大健算了筆賬：高產抗逆的大豆新品種大面積推廣后，預計正常種植條件下，產量能提高10%；而鹽堿地種植條件下，大豆產量能提高10%-15%。以每畝產120公斤大豆估算，按約30%的未開發鹽堿地種植大豆，預計每年收獲約18萬噸大豆，按每公斤8元計算，可給農民帶來約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，把培育優質高產品種當作自己的核心目標，為中國大豆增產，為中國農民增收，是他一直努力的動力。
來源：中國青年報
一片茶葉的“香味密碼”
南京市組織開展大豆玉米帶狀復合種植觀摩培訓
神舟十三號搭載的作物種子順利出艙 解密太空育種
