芝麻資源種子顏色多樣性
張秀榮
“芝麻大點的小事”常用來形容微不足道的事情,芝麻因“小”并不受關注。在我國種植業(yè)結(jié)構中,芝麻作為小作物也常被人忽視。然而,小小芝麻卻是“舌尖上的中國”里無比重要的存在,由芝麻加工的食品就有600多種;我國同時也是芝麻的生產(chǎn)和消費大國。
近日,由中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所研究員張秀榮主持完成的“芝麻種質(zhì)基因庫的構建、發(fā)掘與育種應用”科研成果榮獲2016年度湖北省科技進步獎一等獎。可以說,小芝麻做出了大成績。
經(jīng)過30多年的科研“長跑”,這項成果實現(xiàn)了芝麻全基因組精準發(fā)掘和分子育種技術重大突破,為我國芝麻育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了戰(zhàn)略資源,標志著我國在芝麻研究領域躍居國際領先行列。
供不應求:發(fā)展空間巨大
在我們的日常生活中,芝麻隨處可見,有著諸多“妙用”,既可以榨油,也可以用來制作美味的菜肴和糕點,比如芝麻小磨香油、芝麻醬、芝麻餅、芝麻酥等。我國食用芝麻歷史悠久,已有2000多年的歷史。
由于自身的特性,芝麻的主產(chǎn)地分布在我國江淮和黃淮流域等,比如河南、湖北、安徽、江西、河北、湖南、四川等省。
芝麻是我國主要的油料作物之一,“我國芝麻單產(chǎn)和總產(chǎn)量均居世界最高,而且品質(zhì)最好。”張秀榮在接受《中國科學報》記者采訪時表示。
因飲食習慣和人口眾多,近年來,國內(nèi)市場對芝麻的需求量也逐漸旺盛起來。2016年,我國芝麻的總消費量已達到140萬噸,但總產(chǎn)量只有60萬噸左右,其余缺口需要依靠進口,進口量已突破80萬噸。
張秀榮表示,目前我國芝麻平均畝產(chǎn)80公斤左右,遠遠高于世界平均水平。我國雖是芝麻主要生產(chǎn)國,但總體產(chǎn)量偏低、發(fā)展空間巨大,這其中的關鍵點就是優(yōu)異品種的選育。
產(chǎn)業(yè)要發(fā)展,品種要先行。張秀榮帶著這個理念,開始了長達30多年的科研“長跑”,從育種入手,逐漸打開了“寶庫”之門。
從零開始:創(chuàng)造科研奇跡
從上世紀70年代開始,我國就已經(jīng)開始了芝麻的雜交育種研究,逐漸培育了一批新品種,比如“中芝7號”,產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性都得到了改善。
不過,一些隨之而來的問題也困擾著科研人員。
種質(zhì)資源是我國不可替代的戰(zhàn)略資源,作物育種成效很大程度上取決于掌握、發(fā)掘和利用種質(zhì)資源的程度。
“芝麻是我國優(yōu)勢特色油料,但因芝麻種質(zhì)數(shù)量少、農(nóng)藝性狀鑒定粗放、基因組信息不清、缺乏功能標記,導致育種可用親本種質(zhì)匱乏、育種技術落后、效率低,成為制約我國芝麻耐濕抗病高油高產(chǎn)品種選育和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸。”張秀榮說。
要想邁過這道坎,收集到足夠齊全的種質(zhì)資源是十分重要的一步。為此,張秀榮帶領著團隊在全國各地開始收集各種芝麻種質(zhì),他們的足跡遍布全國30多個省區(qū)市。不僅如此,他們還通過多種途徑從國外收集和引進種質(zhì)資源。
雖然過程十分困難,張秀榮仍然帶領著團隊堅定不移地走下去。最終他們廣泛收集整理覆蓋全國30個省區(qū)市和世界五大洲芝麻種質(zhì)7910份,編目300645條,精準鑒定耐濕抗病品質(zhì)55435項次,發(fā)掘出優(yōu)異種質(zhì)452份,構建了全球數(shù)量最多、覆蓋范圍最廣、信息量最大的芝麻種質(zhì)庫,創(chuàng)建了首個芝麻核心種質(zhì)。“芝麻種質(zhì)庫建立以后,能夠為我國的育種提供優(yōu)異基因資源。”張秀榮表示,在芝麻種質(zhì)庫的基礎上,團隊開始對芝麻基因組進行測序,尋找其中規(guī)律,加以深化利用。
芝麻作為小作物,相關研究基礎非常薄弱,“我們的各項工作幾乎都是從零開始。”張秀榮說。從2012年到2014年,團隊攻堅克難,率先完成了芝麻全基因組測序,探明了基因組結(jié)構,注釋基因27148個,繪制了全球首張精細物理圖譜,并構建了首個芝麻基因信息庫,破解了芝麻的遺傳密碼,引領芝麻種質(zhì)由表型鑒定向基因組信息研究的跨越。
不僅如此,張秀榮還將他們的研究結(jié)果向全世界公開,大規(guī)模重測序獲得540萬個SNP變異位點,創(chuàng)建芝麻基因組、變異組和功能基因組3個共享大數(shù)據(jù)網(wǎng)站,公開數(shù)據(jù)量819.3G,搭建了基因信息應用平臺。
除此之外,團隊還發(fā)掘出一批重要農(nóng)藝性狀主效QTL和新基因,實現(xiàn)了芝麻全基因組精準發(fā)掘和分子育種技術重大突破。他們開發(fā)全基因組SSR標記7200個,構建了首張高密度遺傳圖譜,首次發(fā)現(xiàn)SiPPO、SiNST1和LTP1基因調(diào)控含油量的新機制,發(fā)掘出耐濕抗病高油高產(chǎn)主效QTL 77個、新基因46個,突破了芝麻分子育種的技術瓶頸。
這些成就為芝麻研究提供了關鍵材料和優(yōu)異基因資源,促進我國芝麻的育種研究和基礎性研究取得突破,為我國育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了戰(zhàn)略資源,為全球的芝麻分子生物學研究和功能基因挖掘奠定了重要的基礎。
開拓進取:挖掘更大可能
多年來,項目組育成的耐濕抗病高油高產(chǎn)17個新品種,在江淮和黃淮主產(chǎn)區(qū)累計應用7625.2萬畝,覆蓋兩大產(chǎn)區(qū)65%,創(chuàng)社會經(jīng)濟效益93.3億元。
盡管芝麻育種研究已經(jīng)收獲了好成績,但張秀榮仍不停下腳步,她將帶領著團隊繼續(xù)加強芝麻種質(zhì)資源的收集,在原始創(chuàng)新上有所突破,瞄準產(chǎn)業(yè)需求,運用現(xiàn)代新技術,挖掘出芝麻更多的“潛力”。
“我們想根據(jù)實際生產(chǎn)需求,解決一些個性化問題,實現(xiàn)定向育種。”張秀榮說。
此外,河南、安徽和湖北等江淮地區(qū)是我國芝麻主產(chǎn)區(qū),芝麻生長季節(jié)正逢雨季,雨量大而集中,漬澇害問題一直存在。而在山西、陜西和內(nèi)蒙古等西北地區(qū),吉林等東北地區(qū),江南秋播地區(qū),干旱問題則比較嚴重。“這都需要我們從育種上有重大突破,能夠培育出抗?jié)承?、抗旱性的?yōu)良品種。”張秀榮表示。
在定向育種方面,團隊還瞄準了我國鹽堿地資源。面對土地資源越來越緊缺的現(xiàn)狀,培育出抗鹽堿品種,充分把鹽堿地利用起來,是團隊研究的重點。
此外,張秀榮還在挖掘芝麻其他的特性和作用。芝麻營養(yǎng)十分豐富,其特有的抗氧化成份芝麻素具有治療癌癥及心血管疾病等功效。芝麻除了油用,還能在醫(yī)藥、工業(yè)生產(chǎn)等方面“大展拳腳”,用途十分廣泛。
“最近,我們正在研究不同花色的芝麻,開發(fā)觀賞芝麻,發(fā)展觀賞農(nóng)業(yè),這也是比較有特色的地方。”張秀榮介紹。
“未來我希望和全國同行一起,經(jīng)過‘十三五’的努力,取得更多重大突破。”張秀榮說。