浙江大学张天真教授团队——

棉花精准育种我们有“利器”

发布时间:2021-10-29来源:浙大新闻办作者:吴雅兰0

金秋九月,丰收中国。这两天,新疆北疆地区的大片棉田进入了采摘期,一朵朵白绒绒的棉花开得正旺。在石河子市的一片棉田里,浙江大学农业与生物技术学院教授张天真俯下身子和助手一起最后鉴定棉花的产量、品质和抗性。

世界棉花看中国,中国棉花看新疆。新疆是我国棉花最重要的产区,占全国种植面积的78.9%2020年新疆棉花产量占国内产量比重87.3%。在石河子、库尔勒和阿克苏,张天真团队都有试验棉田,每年他和团队成员总要飞跃4000多公里从杭州去新疆的几处棉田看看棉花的生长情况。

张天真团队长期从事棉花的遗传学、基因组学与生物信息学研究和精准育种,至今团队已选育棉花品种20个,推广4000

亩,取得了良好的社会经济效益,同时也在育种前沿领域做了一系列探索,为我国从种质资源大国向种业强国进军贡献了自己的智慧和力量。


研发世界首个棉花精准育种设计平台

棉花是世界最大的纤维作物和纺织工业原料。中国是世界最大的产棉国,也是世界最大的棉花消费国,有近3亿人参与其生产,全球一半以上的棉制品都是在中国生产的,这也使得棉花成为中国最主要的经济作物之一。我国2020/2021年度棉花产量约595万吨,总需求量约780万吨,年度缺口约185万。高端原棉靠进口的现状制约着我国棉花产业高质量可持续发展。如何培育产量高、品质好的棉花品种成为迫在眉睫的问题,而这也是张天真团队数十年如一日的奋斗目标。

“我们常说,十年树木。要筛选出一个好的棉花品种,也要十年以上的时间,而且成功率很低。”张天真说,常规办法就是去地里选种,眼睛观察,经验评估,不停杂交、不停选择、不停田间种植,要在初始阶段筛选出好苗子,有时候还得讲一些运气。

有没有一种方法在保证棉花品种产量高、品质好、抗病强的同时,又能提高育种效率呢?

工欲善其事,必先利其器。张天真团队通过全基因组扫描技术,对70000多个棉花基因进行了系统研究,利用我国新疆流域、黄河流域、长江流域三大棉区的1000多份品种以及国外的重要育种骨干材料鉴定出产量和纤维品质等重要农艺性状关联基因位点,开发了首款棉花全基因组育种液相芯片“浙大棉芯1号”“浙大棉芯2号”等基因分型、育种、种子检验芯片,可以快速、准确、高效地鉴定出优异亲本材料和基因资源,加快聚合育种的步伐。

“种业是农业的芯片,育种平台就好比是制造芯片的芯片。有了这样一个高精尖装备,棉花育种的效率大大提高,估计三四年就能出一个新品种。”张天真介绍,目前这个平台已开始投入应用,预计在不久的将来就能诞生新的棉花品种了。

高产优质抗病的新棉花品种呼之欲出

大丽轮枝菌是一种具有毁灭性的植物病原真菌。每年,由大丽轮枝菌引起的棉花黄萎病严重危害着我国棉花生产,黄萎病的蔓延如同棉花癌症,造成棉花产量的减少和品质的下降。

“由于没有可靠抗原,黄萎病成为了棉花的癌症,农药对它的效果不好还会带来环境危害。每当看到棉农满脸的愁容,我们就在想怎么样能打败黄萎病,为国解忧呢?”

为了解决这一难题,团队跑了全国20多个产棉地,采集了不同植物带土根系样本,从中分离纯化收集得到8000多株待测微生物菌株株系,通过人工培养和筛选获得了两株对黄萎病具有广谱性抑制能力的菌株,“它们能分泌一种物质,对棉花黄萎病的蔓延有明显的抑制作用。这种方法是利用自然界体系中的元素互相对抗,‘以毒攻毒’,但对环境又是无害的。”

目前团队已经获取了可以用于黄萎病生物防治的有效微生物菌株和可以用于抗黄萎病生物农药制剂生产的有效成分化合物,并获得授权国家发明专利2项。

更加令人振奋的是,针对黄萎病以及枯萎病,团队已经培育出一个新品种“浙金研-2”。

“我们以抗黄萎病自育品系X400为母本,丰产型品种新陆中34为父本进行杂交,通过南繁加代、多年多点的产量比较试验、不同病地抗性鉴定、纤维品质检测,选育出产量高、品质好、抗病性好的早中熟陆地棉品系—浙金研-2。”

2019年,“浙金研-2”参加了国家新疆西北内陆早中熟组棉花新品种区域试验,产量指标是对照组的112.2%,居参试组第二;两年黄萎病抗性表现最好,抗病指标居参试组第一位。2020年,“浙金研-2”又参加了生产试验,依然保持着产量高、长势强劲、整个生育期

发病、不早衰等优良特性,具备广阔应用前景,有望通过国家棉花品种审定专业委员会审定。

近千万吨棉籽有望“去黑头”再利用

棉籽是棉花生产重要的副产品,别看棉籽很小,却是一种优质的植物油和蛋白资源,具有重要的利用价值。全国近5000万亩的棉花地每年能生产棉籽近千万吨,可以说小棉籽蕴藏着大产业。

可是要想把棉籽榨成棉籽油、棉籽蛋白进一步提高综合利用价值,却面临着一道关卡。

如果我们仔细观察棉花,就会发现在青绿色的植株上散布着一个个小黑点,棉籽上也有,就像是鼻子上的黑头,有点影响颜值。这些小黑点叫腺体,里面包裹着棉酚,它们就像是“防身符”,可以帮助棉花植株防御病虫危害。然而,棉酚对人和非反刍动物有严重的毒害作用,妨碍了棉籽的高效利用。但是如果抹掉这些小黑点,棉花又容易生病,真是进退两难。

怎么办呢?团队利用转基因技术培育了一种新的棉花材料,保留了植株上的黑点,去掉了棉籽上的黑点,这样一来,棉花既能防御病虫危害,棉籽又能得到很好的利用。这项成果目前正在为市场化应用做进一步研究,一旦投入市场,将为新型低酚品种的开发利用、粮-棉-油-饲一体化经济作物的精准培育打下基础,具有广阔的应用前景。

张天真说,近年来我国棉花的种植面积在逐年下降,但对棉花的需求还是在上升,这就需要我们培育出更高产的棉花品种。“农业都是从种子开始的。种子好了,就好比有了先发优势,再加上后面的耕培、管理,就能有好收成。所以种业可以说是农业的一号工程。”

在浙大工作的这些年,张天真所率领的这支棉花精准育种团队瞄准国家重大需求精耕细作,已在国际高影响力学术期刊Nature Genetics发表论文2篇,在国际高水平期刊PNASPlant Cell发表论文2篇,入选2019年度浙江省领军型创新创业团队,还荣获了教育部2020年度高等学校科学研究优秀成果奖——自然奖一等奖。

多年育种工作,张天真最大的体会是,只有充分了解实际生产中的问题,才能有针对性地去研究问题解决问题,再高精尖的理论或是技术,只有“接地气”,才能真正地发挥作用,育出好品种,结出好果实。

吴雅兰