前言

      保障國家糧食安全，生物育種技術是關鍵支撐。當前，我國生物育種基礎研究取得顯著進展，國際頂尖期刊論文發表數量全球領先，但核心技術的產業化應用仍存在短板。面對新形勢新挑戰，中國生物育種如何突破瓶頸、加速發展？

      中國作物學會理事長，中國農學會副會長，岳麓山實驗室學術委員會主任，中國工程院院士萬建民提出構建科研、產業深度協同的“雙輪驅動”體系。該體系究竟如何加速種業核心技術轉化應用，打通從實驗室到田間的“最后一公里”？

萬建民院士在第二十七屆中國科協年會主論壇上作主旨報告

      1、回應國家需求的生物育種

      生物育種肩負著回應國家重大戰略需求的使命。

      第一是確保國家糧食安全。2024年我國糧食產量雖創歷史新高，達到1.4萬億斤，但進口量仍超過1.58億噸，對外依存度高達19%，這說明糧食安全仍然是國家重大的戰略需求。目前我們人均糧食占有量已經超過500公斤，比世界平均水平高出100公斤，這是過去難以想象的成就。聯合國糧農組織把糧食安全分成三個階段：第一階段是數量的保障，第二階段是質量的保障，第三階段是保障食物的營養與滿足消費者的多元化需求。事實上，我們國家仍然處于第一階段數量的保障，質量保障還沒有完全實現，這是糧食安全方面需要關注的首要問題。

      第二是提高國民營養健康水平。我們國家處于高度發展時期，公民的消費呈現兩極分化：一方面是營養過剩，另一方面仍然存在“隱性饑餓”（即礦物質和微量元素缺乏）。根據《2023中老年營養第四餐藍皮書》顯示，中國是世界受“隱性饑餓”問題嚴重挑戰的國家之一，“隱性饑餓”對國家發展和國民健康構成潛在威脅。

      第三是保障農業生態安全。目前我國農業生態安全面臨嚴峻挑戰，單位面積化肥、農藥使用量是美國、歐洲的2-3倍。同時，人均水資源占有量僅為世界平均水平的四分之一，加上病蟲害頻發，亟需培育抗病蟲、抗旱、養分高效利用、水資源高效利用的新品種。

      第四是增強國家農業競爭力。跨國公司正加速壟斷全球種子市場，65%份額被5家跨國公司掌控，2024年全球種業十強中，僅一家本土企業（第8位）。我們國家在基因編輯工具、全基因組選擇核心算法等原創核心專利上仍然處于落后的狀況。當前我國良種對糧食增產貢獻率約45%，低于美國的60%，還存在差距與發展空間。

      因此，必須從種質資源、基礎研究、基因資源、育種技術、創新種質等方面進行全鏈條創新，培育高產穩產、優質健康、競爭力強的新品種，保障國家糧食安全。

      2、生物育種技術的演進與突破

      全球農作物育種大概經歷了兩次重大的革新，特別是以水稻為代表的植物育種，其技術創新經歷了兩次重大變革，50年代矮化育種和70年代雜交育種。而這兩次都是由中國人引領的。第一次是廣東農科院的黃耀祥院士在20世紀50年代就開始培育半矮稈品種，把水稻株高從160公分降到了90公分，實現了半矮化育種，這比國際上所謂的“綠色革命”早了八年。第二次是以袁隆平先生為代表的中國科學家們，通過發現雄性不育系，利用野生稻實現了水稻三系配套，成功應用了雜交水稻技術。

      發展到后期的分子育種和設計育種階段，我們國家在生物育種領域基本上是緊跟世界步伐的。我們水稻、小麥的育種處于比較高的水平，大致是領先的位置，但在玉米、大豆方面仍然存在差距。

      生物育種的基礎研究，主要是圍繞優質種質資源的形成與演化、重要性狀形成的遺傳基礎、多性狀協同改良等方面展開，貫穿從資源、基因到種質的全鏈條創新。

      在種質資源鑒定方面，近年來從單一環境轉向多環境鑒定，組學技術的應用驅動基因型鑒定向高通量、精準化方向發展。人工智能技術被用來預測優異種質，全景組學已經成為系統解析優異種質的重要方向。

      我們可以看到基因資源的深度挖掘經歷了這樣的發展：從上個世紀1900年經典遺傳學孟德爾遺傳規律的發現，到50年代DNA雙螺旋結構的發現，再到分子標記定位、基因克隆、全基因組關聯分析、資源精準鑒定，進入21世紀后發展到泛基因組、全景組學，直到近年來人工智能的飛速發展，使得基因挖掘的效率大幅度提高，趨向智能化。

      在這個背景下，很多跟產量性狀相關的基因、抗病蟲的基因、抗逆（抗不良環境）的基因、資源高效利用的基因被挖掘和利用。泛基因組的構建成為挖掘重要基因的有力手段，大幅提升了基因挖掘的效率。

      AI驅動基因資源挖掘向智能化、規模化方向發展，也取得了比較好的進展。過去是單一性狀的改良，現在多性狀協同改良已經成為重要方向，包括基因的一因多效、多基因平衡表達、多性狀協同改良，特別是基因型與環境互作的研究，都取得了新的進展。

      生物育種技術包括了底盤技術和前沿技術。底盤技術包括表型鑒定、單倍體育種、遺傳轉化、智能設計。前沿技術包括轉基因、基因編輯、合成生物、基因組選擇。近年來，規模化、智能化、精準化、工程化的育種發展，使得育種技術迭代升級迅速突破，加快了生物育種的發展。

      作物育種前沿技術也取得了突破。比如轉基因育種技術使得多基因疊加、精準表達調控成為可能，多基因聚合和多性狀疊加已經成為轉基因產品研發的主要方向；基因編輯育種技術實現了從單基因到多基因、單類型編輯到全類型編輯、小片段編輯到大片段編輯的跨越；全基因組選擇技術在預測模型智能化、遺傳評估精準化方向取得突破……

      可以說，生物育種已經進入“BT（生物技術）+IT（信息技術）”的智能設計時代。我們國家已經開始從傳統育種向新一代育種方向邁進。

      3、中國生物育種的成就與挑戰

      大量植物基因組的研究是由中國科學家完成的。例如水稻產量性狀相關的基因，絕大多數都是由中國人克隆的。截至到目前，今年植物領域三大頂刊Science、Nature、Nature Genetics上發表的農作物相關論文，70%以上是由中國科學家完成的。我們發表了這么好的論文，那我們面臨的挑戰是什么呢？

      生物育種基礎研究原創性不足，基礎研究與育種應用結合不夠緊密。如果產業化應用沒有突破，大部分科學家集中在基礎研究，就難以形成產業。因此，我們在育種理論方法上的創新能力仍然偏弱。

      另外我們的生物育種技術創新緊跟國際前沿，包括雜種優勢利用、基因組選擇、倍性育種、細胞與染色體工程等方面處于國際領先地位，在轉基因和基因編輯技術創新方面實現了國際并跑，但原始創新能力仍有差距。

      轉基因育種創制了一批重大產品，例如，我們是全球最早擁有抗蟲水稻品種的國家之一，抗蟲轉基因玉米對玉米螟和草地貪夜蛾也有較好抗性。耐除草劑大豆也培育成功了。但目前這些產品推廣速度仍然比較慢。

      我們建立了成熟的基因編輯育種技術體系，最近自主開發的基因編輯工具Cas12i，對水稻、小麥、大豆的編輯效率已經達到了可規模化應用于育種的效率。還建立了自主基因編輯工具的衍生技術體系。最近中國科學家發現了全新的依靠RNA的DNA編輯酶，這有望使我們在整個基因編輯領域處于領先位置。

      因此我們面臨的挑戰是核心技術專利缺乏，短板依然突出。我們國家是生物技術研發大國，但不是核心技術策源地，也就是說我們模仿相對多，原創的研究相對少。重大新品種創新能力也需要進一步提升。

      種業企業育種創新能力亟待提升。目前中國種業市場容量約1400億元人民幣，但種業企業多達8000到9000家，市場分散，企業創新能力比較弱，對科技投入不足，種業的科技創新體系仍然不夠完善。歐美的種業市場經過一百多年發展，形成了完善的體系，資源、技術、品種選育都已實現產業化。在這個研發體系中，企業投入育種技術和產品研發，資源和基礎研究由政府投入，并通過完善的知識產權保護法律體系來保障。我們在這方面還沒有形成這樣一個完善的創新體系，種業知識產權保護仍有待加強。

      因此，我們必須把握發展機遇，積極推動有組織的科研，推動生物育種的發展。

      4、推動生物育種的破局之道

      首先，要建立“雙輪驅動”的現代種業科技創新體系。什么是“雙輪驅動”？就是基礎研究跟產業化緊密結合，科研單位跟企業有機協同。這種科技結合的創新體系，目前缺一不可。全部依靠科研單位，沒有企業就形不成產業；但全部依靠企業，目前仍有困難。必須通過科企結合來推動整個創新體系的完善。

      第二，要加強基礎研究。強化種源基礎研究，加固理論基礎。目前農業領域的基礎研究仍然是相對薄弱的，需要進一步加強推進。

      第三，要突破關鍵技術，構建高效生物育種技術體系。我們看到人工智能、大數據對推動多個產業起到了重要作用，在生物育種領域也要推動多學科交叉融合，進行系統性改良，因為育種本身就是一項非常重要的系統工程。

      第四，要培育新一代的農作物品種。過去所有的育種都是以產量為主要目標，相對忽視了品質。過去我們只追求產量，現在必須把品質和產量同時考慮。此外，還要推動培育抗病蟲、耐寒、耐鹽堿、對環境友好的品種。同時，還要推動面向特殊人群的功能性品種開發，例如適合糖尿病人的低糖品種、適合腎臟病人的低異構蛋白品種。推動培育適應機械化、現代化管理體系的品種。

      生物種業是國家戰略性、基礎性產業。當前，新一輪種業科技革命正在興起，發達國家以及跨國企業集團愈發重視生物種業創新發展，并成為提升國家競爭力的戰略舉措。生物育種是種業創新的核心。因此，我國必須加大生物育種與產業化力度，突破關鍵技術瓶頸，培育戰略性新興生物產業，保障國家糧食安全。

      來源丨中國科協之聲（根據萬建民在第二十七屆中國科協年會主論壇上的主旨報告整理）