來(lái)自巴基斯坦的FarooqIAzams是中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所博三的學(xué)生。他沒(méi)有豐富的大田作物育種實(shí)踐,但求學(xué)中國(guó)最讓他興奮的是可以在電腦上全程模擬育種過(guò)程,完成試驗(yàn)訓(xùn)練。
FarooqIAzams使用的可不是一款普通的電腦軟件,它叫做“集成育種平臺(tái)”(IBP),是由國(guó)際農(nóng)業(yè)磋商組織實(shí)施的世代挑戰(zhàn)計(jì)劃項(xiàng)目(GCP)的科研成果。如今,F(xiàn)arooqIAzams已將這一全新的育種方法推薦給了家鄉(xiāng)的同學(xué)和老師,希望能讓自己國(guó)家更多的農(nóng)業(yè)科研工作者在農(nóng)作物育種中獲益。
自2003年起,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所研究員王建康率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)參與了世代挑戰(zhàn)計(jì)劃,進(jìn)行育種新方法和新工具的研究。如今,隨著“集成育種平臺(tái)”的建成和完善,通過(guò)新的育種方法大大提高作物育種效率,已成為可能。
傳統(tǒng)育種耗時(shí)耗力,急需一種全新的育種方法
一粒種子可以改變世界。作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,加之世界糧食安全問(wèn)題日益嚴(yán)峻,加快育種進(jìn)程,提高育種過(guò)程的可預(yù)見(jiàn)性和效率,成為育種家們的迫切需求。
國(guó)內(nèi)不少的農(nóng)作物育種者,在育種過(guò)程中都有過(guò)“用眼看、用秤稱、用尺量、用牙咬”的種子檢測(cè)經(jīng)歷,能否選育出一個(gè)理想的作物品種,往往只能依靠育種者的經(jīng)驗(yàn)。
“育種家需要根據(jù)大田經(jīng)驗(yàn),利用設(shè)計(jì)的方法組配親本、估計(jì)后代種植規(guī)模、選擇優(yōu)良后代,這種經(jīng)驗(yàn)育種,工作辛苦,耗時(shí)耗力。”王建康說(shuō),對(duì)育種工作者來(lái)說(shuō),從資源搜集到選系、配組合,每一個(gè)環(huán)節(jié)都非常重要。有時(shí)為了測(cè)試某兩個(gè)品種能不能進(jìn)行雜交,需要大量的田間試驗(yàn)和數(shù)據(jù)來(lái)證明,一旦失敗,只能從頭開(kāi)始。育種是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,一個(gè)周期結(jié)束后,還需要10多個(gè)這樣的循環(huán),如果一年種一季,需要10年。
對(duì)于嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的育種工作來(lái)說(shuō),能不能找到一種全新的方法,幫助育種家提高育種效率,少走一些彎路?據(jù)了解,目前在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家,有一些大公司會(huì)專門組織一支隊(duì)伍處理育種過(guò)程中的信息資源、材料親樣關(guān)系等數(shù)據(jù),并確保這些數(shù)據(jù)有效保存和利用,提高育種效率,而對(duì)于許多國(guó)家來(lái)說(shuō),實(shí)現(xiàn)這種公司化的操作條件并不成熟。
“集成育種平臺(tái)”問(wèn)世,引來(lái)育種“全科學(xué)”時(shí)代
2003年,國(guó)際農(nóng)業(yè)磋商組織成立了一個(gè)世代挑戰(zhàn)計(jì)劃項(xiàng)目,旨在整合組織內(nèi)各研究中心以及各成員國(guó)的研究力量,在全球范圍內(nèi)開(kāi)展作物遺傳資源的研究方法和利用途徑研究,以提高作物育種效率。2009年,在比爾和梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)的支持下,集合了育種家需要的分析資料,一個(gè)可持續(xù)性的公共信息平臺(tái)逐漸建立起來(lái)了,這就是集成育種平臺(tái)。在集成育種平臺(tái)的幫助下,中國(guó)和世界的育種家們實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化育種的愿望。
自參與世代計(jì)劃以來(lái),王建康研究員為首的團(tuán)隊(duì)成員主要從事育種模擬軟件的開(kāi)發(fā),即通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬軟件,根據(jù)小麥、玉米等作物的特點(diǎn),模擬它們的育種過(guò)程,幫助育種家進(jìn)行方法決策。
“研究人員將所有開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件,都集結(jié)到了集成育種平臺(tái)上。它是一個(gè)可持續(xù)、基于互聯(lián)網(wǎng)的一站式服務(wù)平臺(tái)。”王建康介紹說(shuō),集成育種平臺(tái)不但能模擬各種植物上的交配方式,還能模擬不同的選擇方法。育種家在開(kāi)展田間試驗(yàn)之前,利用各種遺傳信息對(duì)雜交組合的表現(xiàn)、后代選擇效果以及整個(gè)育種過(guò)程進(jìn)行模擬,提出最佳的親本選配、雜交和后代選擇策略,實(shí)現(xiàn)親本選配、后代預(yù)測(cè)和選擇的科學(xué)化,提高育種過(guò)程中的可預(yù)見(jiàn)性和效率,實(shí)現(xiàn)育種的“全科學(xué)”。
“如果讓育種家完全靠田間試驗(yàn)進(jìn)行育種,工程量非常大,而集成育種平臺(tái)幫助專家少走了很多彎路,為育種決策提供了參考。”王建康說(shuō),“雖然集成育種平臺(tái)只是一個(gè)模擬工具和平臺(tái),無(wú)法取代真正的田間育種工作,更不能縮短實(shí)際需要的育種時(shí)間,但是它的出現(xiàn)是革命性的,它將對(duì)中國(guó)和世界種業(yè)的發(fā)展起到不可估量的促進(jìn)作用。”
如今,集成育種平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)始發(fā)揮作用,在國(guó)內(nèi)外諸多育種項(xiàng)目里應(yīng)用。在通過(guò)品種改良提高作物微量營(yíng)養(yǎng)元素的生物強(qiáng)化挑戰(zhàn)計(jì)劃中,科研工作者希望在進(jìn)行玉米育種時(shí)將高產(chǎn)和高微量元素兩個(gè)性狀結(jié)合起來(lái),但由于原先的玉米育種,多是對(duì)產(chǎn)量性狀的選擇,對(duì)品質(zhì)性狀的選擇很少,育種家很難判斷5年或10年周期后能否育種成功。王建康團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立玉米育種模型,模擬育種方法和過(guò)程,發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的育種規(guī)模下,成功率只有50%,而如果增加50%的育種規(guī)模,成功率則可以達(dá)到90%,這一發(fā)現(xiàn)有效地為生物強(qiáng)化計(jì)劃提供了決策依據(jù)。
集成育種平臺(tái)還將完善,致力為分子設(shè)計(jì)育種服務(wù)
2012年7月,世代挑戰(zhàn)計(jì)劃首次在北京舉辦中國(guó)育種家開(kāi)放日活動(dòng),用中文向中國(guó)育種家介紹IBP網(wǎng)站、作物信息系統(tǒng)、電子田間計(jì)劃書等實(shí)用育種工具。
“今后,集成育種平臺(tái)還要提供更多的解決育種問(wèn)題的服務(wù),遺傳基因資料的搜集等數(shù)據(jù)更新工作要不斷地進(jìn)行,平臺(tái)中的許多工具和軟件也將持續(xù)更新。”王建康介紹說(shuō),盡管世代挑戰(zhàn)計(jì)劃會(huì)在2014年結(jié)束,但集成育種平臺(tái)將會(huì)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下去。
集成育種平臺(tái)成為突破傳統(tǒng)育種瓶頸的有效途徑,它的發(fā)展最終是為分子設(shè)計(jì)育種服務(wù)的,分子設(shè)計(jì)育種是世界也是中國(guó)今后育種的一個(gè)方向。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)仍然缺少大規(guī)模、高效率的國(guó)家級(jí)分子設(shè)計(jì)育種平臺(tái)。為此,王建康建議,我國(guó)要重視數(shù)字育種的人才培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)建設(shè),加強(qiáng)育種中的預(yù)測(cè)方法和模擬工具的研究,加強(qiáng)基因與環(huán)境互作以及遺傳交配設(shè)計(jì)和分析方法研究,加強(qiáng)作物功能基因組、生物信息學(xué)方法和生物信息學(xué)工具的研究,加強(qiáng)分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系和決策支持平臺(tái)的研究,使中國(guó)早日進(jìn)入育種的全新時(shí)代。