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8年来,张大健的工作一直与大豆育种有关。
作为山东农业大学农学院的青年教师,36岁的张大健教授带领团队成员聚焦大豆种质资源创新,在扩大遗传基础、聚合优良基因、科技开发和生产服务等方面做了一系列工作。
今年3月,该团队解析大豆进化历史,首次获得多年生野生大豆高精度基因组地图,高效准确挖掘大豆基因组结构变异,拓展可用于大豆分子育种的基因资源,为大豆遗传基础解析、驯化调控基因挖掘和物种创新提供重要理论支持
大豆是重要的饲用作物,在国民经济发展中具有重要的战略地位,但自给率低,是我国农业领域突出的难题。
今年实施大豆产能提升工程列入中央一号文件。 “创新大豆种质资源,培育良种,提高豆油产能和自给率,是解决这一难题的根本之策。 ”张大健说,“基因是质量创新的基础,要实现质量创新,必须利用先进的科技手段揭示大豆的基因组信息。
作为大豆起源国,我国保存着世界上最丰富的大豆种质资源。 栽培大豆是祖先对野生大豆长期方向的选择和改良,但在长期驯化和改良过程中,仅有少量基因资源被选择。
前期的科研数据表明,从黑小的野生大豆到黄大的栽培大豆,在这一进化过程中约有70%的基因位点丢失,导致栽培大豆产生严重的遗传瓶颈效应,大大限制了栽培大豆产量的提高和品质的改良。
“多年生野生大豆主要生活在热带和亚热带地区,遗传多样性丰富,具有较强的抗逆、抗盐碱、抗虫、耐旱、耐热等特性,是栽培大豆进行性状改良的重要遗传资源。 ”张大健说。
野生大豆这些丰富的遗传变异,为重要农艺性状的挖掘和育种提供了宝贵的资源,但由于其基因组庞大、重复序列多、高度杂合等特性,缺乏高质量的染色体水平参考基因组,也没有泛基因组图谱。
从野生大豆到栽培大豆,在驯化过程中到底发生了什么变化? 大多数基因位点都丢失到哪里了? 张大健团队的研究目标是解析野生大豆的进化过程,破解大豆育种的“密码”。
张大健带领团队成员制定了“两步走”计划。 首先进行基础研究,识别高产和优质基因; 再利用基因资源,实现大豆“定制化”分子育种。
“真的开始做了,才知道这件事有多难。 ”张大健毫不避讳地说,“一粒种子携带的基因,决定着它的产量和质量,谁能破解基因密码,谁就占据了育种的制高点。”
破解大豆育种密码,首先要收集材料,建立基因资源的“蓄水池”。
科研团队选择了全球5个有代表性的二倍体多年生野生大豆品种和1个自然形成的异源四倍体多年生野生大豆,进行全DNA测序,综合利用2代、3代、Hi-C等测序技术构建染色体水平高质量的参考基因组, 首次构建多年生野生大豆泛基因组,鉴定了109827个多年生大豆中非冗馀基因位点,发现其中约有70%的基因位点存在
团队还鉴定了183个大片段基因组结构变异,这些变异影响着大豆开花时期、抗病性、抗病性等重要表现型特征。
“结构变异”是指基因在染色体空间结构中产生倒位、异位等现象,可能影响基因的表达和功能。 ”张大健说,“准确分析这些结构变异,显然对提高大豆产量,改良大豆品质等农艺性状具有重要意义。
该成果发表于《自然—植物》年后,大豆遗传育种学家孔凡江认为,该研究不仅解析了大豆的进化历史,而且能高效准确地挖掘大豆基因组结构变异,为大豆的遗传基础分析、驯化性状调控基因的挖掘和大豆种质创新提供重要的数据支持
大豆必须高产,品种是核心。
经过调查和分析,团队将下一步的目标锁定为利用“定制化”分子育种,培育高产和耐盐碱大豆。
“黄河三角洲每年新淤地约3万亩,尚有约280万亩盐碱土壤开发利用。 利用生物技术手段改良大豆抗盐碱能力,创造耐盐新品种(系),培育耐盐新品种具有广阔的产业化前景。 ”张大健说。
要搞好育种,充足种类的资源尤为重要。
张大健带领团队收集黄淮海地区内野生大豆种质资源,筛选出1000多种大豆材料,利用形态标记和DNA分子标记进行遗传多样性分析,通过主成分分析和聚类分析,揭示黄淮海地区内野生大豆的分布状况、遗传结构和血缘关系, 最终获得了明显的耐盐碱大豆种子材料36个,高产种子材料21个,建立了黄淮海地区野生大豆核心种子库,为育种研发提供了样本。
根据野生大豆核心质库信息,张大健团队与全国最大的大豆种业公司联手攻关,选育出适宜在黄淮海地区栽培的高产、高油、耐盐碱大豆新品种——“山豆1号”和“山豆2号”。
目前,这两个大豆品种已经开始山东省夏大豆地区的试验。 经过田间种植的“考验”,产量远远超过目前我国大豆平均亩产。 豆子粒大油量大,试种的农民心里乐开了花。
一粒新种子的出现往往意味着更高的产量和更好的经济效益。 张大健做了账:高产抗逆大豆新品种大面积推广后,正常栽培条件下产量有望提高10%; 在盐碱土壤栽培条件下,大豆产量可提高10%-15%。 按每亩120公斤大豆估算,用未开发盐碱土壤约30%种植大豆,预计年产大豆约18万吨,按每公斤8元计算,可为农民带来约14.4亿元的收入。
寒冷来了,科研人员的辛苦是不言而喻的。 张大健说,从从事大豆育种的那天起,他就像所有育种家一样,把培育优质高产品种作为自己的核心目标,以增产中国大豆和增收中国农民为目标,是他努力的动力。
中青报中青网记者邢婷通讯员王静源:中国青年报
来源:中国青年报
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