【編者按】 黨的二十大報告指出,全方位夯實糧食安全根基,牢牢守住十八億畝耕地紅線,確保中國人的飯碗牢牢端在自己手中。糧食生產(chǎn)事關(guān)國計民生,糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)。如何深挖“藏糧于技”的潛能,為糧食安全撐起“科技之傘”,江蘇科技工作者們一直在奮力前行。近日,記者走進江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的省農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫和江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室,探尋科技賦能保障糧食安全背后的故事。
稀缺種子應(yīng)收盡收,只為發(fā)掘種質(zhì)優(yōu)良基因
紫桃,一種果皮和果肉都是紫紅色的桃子,這一品種因為小而酸,在省內(nèi)栽培上百年來一度鮮有人問津。經(jīng)過搶救性收集后,現(xiàn)如今,紫桃已變成農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2022年第一批農(nóng)產(chǎn)品地理標志登記產(chǎn)品。“紫桃中含有一種健康成分‘花色素苷’,它的抗氧化功效比藍莓更強,符合大眾對健康營養(yǎng)的追求,一度賣到脫銷。”江蘇省農(nóng)科院果樹所桃資源專家嚴娟博士介紹說,收集的初心旨在發(fā)掘種質(zhì)的優(yōu)良基因。
嚴娟口中的“搶救性收集”是江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院一項歷時6年的全省農(nóng)作物種質(zhì)資源普查與收集行動。10月17日,記者了解到,目前該行動告一段落,全省60個普查縣(市、區(qū))共2224名普查人員通過查閱資料、走訪干部群眾、咨詢相關(guān)專家等形式,共收集資源樣本3446份,包含糧食作物、經(jīng)濟作物、蔬菜作物、果樹、牧草綠肥等五大類作物,涉及植物46個科、118個屬、165個種,基本做到“應(yīng)收盡收”。
“江蘇位于我國南北氣候過渡地帶,生態(tài)類型多樣,是我國作物種質(zhì)資源比較豐富的地區(qū)之一。”江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長黃俊說,近年來受氣候、耕作制度和農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式的變化影響,大量地方品種迅速消失。“全面普查我省農(nóng)作物種質(zhì)資源,搶救性收集和保護珍稀、瀕危作物野生種質(zhì)資源和特色地方品種,對保護我省農(nóng)作物種質(zhì)資源的多樣性、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、推動種業(yè)創(chuàng)新具有重要意義。”
據(jù)介紹,目前所有征集、收集的資源樣本經(jīng)過繁殖鑒定,都已經(jīng)移交國家種質(zhì)庫(圃),圓滿完成了本次普查與收集行動任務(wù)。“此次行動搶救保護了一批地方特色資源,包括許多珍稀的特色資源,如柿樹野生變種桂五野柿子、小果型花生八集小花生、‘大紫紅’蓮藕等。”黃俊補充道。
“資源調(diào)查最基礎(chǔ)的工作是摸清家底,最大的問題也是不知道家底。”江蘇省農(nóng)科院蔬菜研究所研究員潘寶貴表示,一國糧食安全,系于種質(zhì)資源。種質(zhì)資源是種業(yè)原始創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)。只有全面摸清種質(zhì)資源家底,開展種質(zhì)資源全面普查保護,才能建設(shè)國際一流的國家農(nóng)作物、畜禽和水產(chǎn)種質(zhì)資源庫,為“中國糧用中國種”多作貢獻。
824立方米冷藏倉庫,呵護種質(zhì)樣本15年
收集種子只是第一步,保存以種子作為基因載體的農(nóng)作物種質(zhì)資源庫才是提升種質(zhì)競爭力的關(guān)鍵。在江蘇省農(nóng)科院里早已建立起一座農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫,10月17日,記者在庫前的空地上看到,豌豆、黑豆、花生等各式各樣五顏六色的種子在空地上曬太陽,標簽上是種子產(chǎn)地和采集時間。
“種子收集后先曬太陽,去除表面水分。”江蘇省農(nóng)科院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所研究員顏偉表示,透過一粒普通種子能看到人類改造自然和適應(yīng)自然的歷史,如何有效保護種子至關(guān)重要。為此,研究所建立了江蘇省農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫,為寶貴種質(zhì)資源搭建了像銀行金庫一樣堅固、安全的“家”。
種子進“家門”的第二步就是在入庫前進行實驗室預(yù)處理。“曬過的種子含水量為13%,還未達到入庫標準,要進一步烘干。”在顏偉身后,多臺“雙15”種子干燥箱正在工作中,在15℃和15%相對濕度的環(huán)境下,烘干后的種子含水量降為8%。緊接著種子被鋁箔紙包裝好后抽真空,碼放在一起,貼上條碼方便數(shù)據(jù)管理。
最后,這些種子會存入824立方米的低溫冷藏倉庫。這個庫收集保存了農(nóng)作物種質(zhì)資源5.7萬份,水稻、小麥、大麥、大豆、玉米、棉花、油菜、花生等54類資源匯集于此,涉及14個科、56個屬、96個種。它們來自五湖四海,許多資源樣本可以追溯到上個世紀30年代,不乏古老地方品種、特色遺傳材料和野生近緣種等。
穿過三層嚴密的防護門,就是光線昏暗、涼意襲人的倉庫。這里能動態(tài)監(jiān)控庫內(nèi)每一分每一秒的濕度、溫度環(huán)境,入庫的種子能保存20年左右的時間。“這兒一年四季處于-4℃,相對濕度保持在50%以下,種質(zhì)資源種子樣本經(jīng)過15年,仍可正常發(fā)芽生長。”顏偉說。
記者在像超市貨架的置物臺上看到,一排排嚴密包裝的種子樣本,就像圖書館書架上存放的書籍,每袋種子都清晰地標著一串數(shù)字條碼。這些條碼是種子們的“身份證號”。為更好保存和開發(fā)利用種質(zhì)資源,庫內(nèi)還配備了活力監(jiān)測實驗室、指紋圖譜實驗室和品質(zhì)實驗室及先進的計算機監(jiān)控系統(tǒng)等,大大延長了種子貯存壽命,顯著改善了我省農(nóng)作物種質(zhì)資源的保存和保護狀況。
精準高效數(shù)字化育種,DNA技術(shù)尋找種質(zhì)“優(yōu)等生”
如果說種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”,那么基因則是“芯片”上最關(guān)鍵核心的元件。“要想生物育種更精準、更高效,就要把種質(zhì)資源的基因變成數(shù)據(jù)存儲起來,尋找其中最優(yōu)秀的部分,研究其作用機理,用于科學(xué)研究和品種創(chuàng)新,來保障我們國家糧食安全。”江蘇省農(nóng)科院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所所長趙涵介紹,一株水稻的基因數(shù)據(jù)量可達400M左右,而平常的64G閃存盤只能存儲十幾株水稻的基因組數(shù)據(jù),“建設(shè)數(shù)字化的種質(zhì)資源庫亟需高性能計算的海量存儲技術(shù),為接下來的人工智能育種打下基礎(chǔ)。”
《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十四五”推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃的通知》中提出,要構(gòu)建農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫,加強種質(zhì)資源保護。“江蘇的農(nóng)作物種質(zhì)數(shù)據(jù)庫搭建工作走在了前頭。”趙涵介紹,早在2020年6月,團隊就在全國率先搭建了數(shù)字化育種平臺,構(gòu)建高精度模型、引入基因編輯技術(shù)。“這省去大量田間播種試驗的人力與時間,提高了科研效率,是提升育種效能的主流趨勢。”
“江蘇數(shù)字化育種平臺的整體架構(gòu)設(shè)計已初步完成,由表型數(shù)據(jù)庫、基因型數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)計算和分析平臺三個模塊組成。”江蘇省農(nóng)科院種質(zhì)資源與生物技術(shù)研究所玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新團隊副研究員周玲介紹,其中最重要的基因型數(shù)據(jù)庫從基因組層面追溯種子來源,完善種質(zhì)的“身份證”系統(tǒng),保證篩選出核心種質(zhì)資源。
在種質(zhì)資源基因型數(shù)據(jù)庫搭建中,主要依靠基因組二代測序技術(shù)。“我們先從樣本上提取DNA,質(zhì)檢合格后再送到實驗室進行處理和上機測序,產(chǎn)生大量序列數(shù)據(jù),即基因組上的小片段。”周玲介紹,之后再利用生物信息學(xué)軟件,將序列信息轉(zhuǎn)化為可靠的變異信息判讀后,方能完成一份樣品的檢測。“原先的數(shù)據(jù)分析軟件每天只能分析1-2個玉米品種的基因數(shù)據(jù),但我們聯(lián)系相關(guān)科技公司開發(fā)了超快速的變異過濾軟件后,一天可分析30-40個玉米品種,速率提升約40倍。”周玲說,目前已有近1萬份種質(zhì)資源經(jīng)過基因組測序分析。
據(jù)統(tǒng)計,我國育成的作物品種中,三分之二以上品種具有江蘇省種質(zhì)資源平臺提供的優(yōu)異資源的“血緣”。相關(guān)單位以這些優(yōu)異種質(zhì)資源為親本,共培育優(yōu)良新品種(系)303個,累計推廣10.3億畝,在支撐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)品種創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。