種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，種業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是保障14億人糧食安全的重要前提。《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》提出，加快實(shí)施農(nóng)業(yè)生物育種重大科技項(xiàng)目，有序推進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。國家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中也將現(xiàn)代種業(yè)提升工程列為生物經(jīng)濟(jì)七大工程之一。本期邀請幾位專家圍繞生物育種進(jìn)行研討。
主持人：經(jīng)濟(jì)日報(bào)社理論部主任、研究員 徐向梅
保障“中國糧”主要用“中國種”
主持人：我國生物育種發(fā)展現(xiàn)狀如何？存在哪些優(yōu)勢與不足？
姚穎垠（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授）：糧食安全是“國之大者”，培育優(yōu)良品種是保障國家糧食安全的根本途徑。國際上將育種發(fā)展分為4個(gè)典型階段：育種1.0時(shí)代人類馴化了大量野生植物進(jìn)入農(nóng)耕文明；育種2.0時(shí)代育種家主要依賴經(jīng)驗(yàn)并把統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)和雜交育種策略應(yīng)用到優(yōu)良品種選育中；育種3.0時(shí)代先進(jìn)的生物技術(shù)包括分子標(biāo)記輔助選擇、基因工程在育種中廣泛應(yīng)用；隨著人工智能、基因編輯、合成生物學(xué)等學(xué)科發(fā)展，育種進(jìn)入由前沿科學(xué)技術(shù)引領(lǐng)的“生物技術(shù)+信息技術(shù)+人工智能”育種4.0時(shí)代。
傳統(tǒng)常規(guī)育種大多依賴育種家經(jīng)驗(yàn)，育種效率低、精準(zhǔn)度差、育種周期長。生物育種基于遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)、計(jì)算生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)理論，依賴先進(jìn)生物技術(shù)，與生命科學(xué)基礎(chǔ)研究密不可分，將成為支撐未來現(xiàn)代種業(yè)長足發(fā)展的決定力量。
黨的十八大以來，我國種業(yè)發(fā)展取得巨大成就。全國審定的主要農(nóng)作物品種數(shù)目顯著增加，主要糧食作物良種覆蓋率超過96%，品種對單產(chǎn)貢獻(xiàn)率提高到45%，為保障我國糧食安全和重要農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)定供給發(fā)揮重要作用。種業(yè)跨越式發(fā)展背后的巨大支撐力量是種業(yè)科技創(chuàng)新，尤其是依賴先進(jìn)生物技術(shù)的生物育種得到飛速發(fā)展。
生物育種領(lǐng)域基礎(chǔ)研究不斷創(chuàng)新和突破。我國收集保存了豐富的作物地方品種、野生種和野生近緣種，目前保存超過52萬份農(nóng)作物種質(zhì)資源，數(shù)量躍居世界第二，這些資源是開展生物育種基礎(chǔ)研究、重要基因挖掘、優(yōu)良品種培育的重要材料和寶貴財(cái)富。利用這些資源，我國科學(xué)家從基因組學(xué)、遺傳學(xué)、分子生物學(xué)等層面圍繞國際前沿科學(xué)問題開展大量開創(chuàng)性、系統(tǒng)性研究，取得突破性進(jìn)展。在國際上率先構(gòu)建水稻全基因組序列框架圖，克隆了一批調(diào)控株型、氮高效利用、耐低溫、抗旱、耐鹽堿、抗病、新型抗除草劑等具有重大育種價(jià)值的新基因，并在育種中逐步加以利用。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)孔令讓教授團(tuán)隊(duì)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)馬正強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)克隆了小麥抗赤霉病關(guān)鍵基因，為攻克小麥癌癥赤霉病提供重要基因資源。
先進(jìn)生物育種技術(shù)持續(xù)迭代升級(jí)，正在成為推動(dòng)我國現(xiàn)代種業(yè)跨越式發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。分子設(shè)計(jì)育種、基因編輯、單倍體育種、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、生物工程等技術(shù)不斷創(chuàng)新并取得顛覆性突破，這些技術(shù)在農(nóng)作物育種中逐步應(yīng)用，顯著提高育種效率。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用“基因組設(shè)計(jì)”理論和方法體系培育雜交馬鈴薯，用二倍體替代四倍體，用雜交種子繁殖替代薯塊繁殖，有望顛覆創(chuàng)新馬鈴薯產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方式。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士團(tuán)隊(duì)提出快速從頭馴化的新策略，通過基因組設(shè)計(jì)和基因編輯將多倍體野生水稻快速馴化成農(nóng)藝性狀優(yōu)良的新型多倍體水稻，大幅提升產(chǎn)量和環(huán)境變化適應(yīng)性，為從頭馴化其他野生和半野生植物創(chuàng)制新型作物提供重要參考，開辟了培育高產(chǎn)廣適新型作物的新途徑。
利用先進(jìn)生物育種技術(shù)與常規(guī)育種相結(jié)合，培育和推廣了一批突破性優(yōu)良品種，保障“中國糧”主要用“中國種”。新中國成立以來，主要農(nóng)作物育種已實(shí)現(xiàn)5至6次新品種更新?lián)Q代，“十三五”期間審定主要農(nóng)作物品種1.68萬個(gè)，比“十二五”期間增加一倍多。近年來，在精品優(yōu)質(zhì)水稻、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥、高產(chǎn)機(jī)收玉米等農(nóng)作物新品種方面取得突破性進(jìn)展。堅(jiān)持“形態(tài)改良與雜種優(yōu)勢利用相結(jié)合”育種理念，雜交水稻品種產(chǎn)量潛力不斷提升，以晶兩優(yōu)華占、晶兩優(yōu)534、隆兩優(yōu)華占等為代表的超高產(chǎn)雜交水稻，在大面積推廣過程中對農(nóng)民增產(chǎn)增收和國家糧食安全作出突出貢獻(xiàn)。水稻分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)方面的研究引領(lǐng)國際育種發(fā)展方向，李家洋院士團(tuán)隊(duì)運(yùn)用分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)，將控制粒型、抗稻瘟病、優(yōu)異稻米品質(zhì)、抗倒伏等分子模塊進(jìn)行耦合，經(jīng)過精準(zhǔn)定向設(shè)計(jì)培育出標(biāo)志性水稻品種“中科804”。
我國種業(yè)企業(yè)研發(fā)投入持續(xù)加大、競爭力顯著提升。國家級(jí)“種業(yè)航母”各系統(tǒng)初步形成規(guī)模，生物種業(yè)規(guī)模和整體競爭力明顯提升。我國農(nóng)作物和畜禽種業(yè)市場接近6000億元，成為全球最大種業(yè)市場。據(jù)《2021年中國農(nóng)作物種業(yè)發(fā)展報(bào)告》統(tǒng)計(jì)，2020年我國有種子企業(yè)6118家，資產(chǎn)總額2425.21億元，資產(chǎn)總額1億元以上的432家，其中10億元以上企業(yè)27家，實(shí)現(xiàn)種子銷售收入777.10億元，利潤69.57億元。過去幾年，以先正達(dá)、隆平高科等為代表的中國種子企業(yè)，在國際種業(yè)市場上嶄露頭角，影響力與日俱增，隆平高科于2017年躋身全球種業(yè)前十強(qiáng)，通過內(nèi)生增長和外延并購雙輪驅(qū)動(dòng)，已初具中國種業(yè)航母雛形。
我國生物種業(yè)科技不斷創(chuàng)新，科技基礎(chǔ)和科研力量日益雄厚，但也存在一些問題。
一是生物育種重大原創(chuàng)性基礎(chǔ)理論研究不夠深入，獨(dú)立原創(chuàng)探索性研究較少，尤其是有重大育種利用價(jià)值的關(guān)鍵基因和分子模塊匱乏。
二是與國際種業(yè)科技創(chuàng)新水平相比，我國生物育種關(guān)鍵技術(shù)原始創(chuàng)新落后，核心環(huán)節(jié)技術(shù)掌握不夠，研究力量分散，還沒有形成合力。
三是種業(yè)企業(yè)科技研發(fā)投入不足，前50強(qiáng)的種業(yè)企業(yè)年研發(fā)投入約13億元人民幣，遠(yuǎn)不及美國孟山都、德國拜耳公司一個(gè)公司同期投入規(guī)模。
四是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因生物育種、基因編輯育種等相關(guān)成果產(chǎn)業(yè)化亟待突破，隨著國家對轉(zhuǎn)基因生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用政策逐漸放開，生物育種產(chǎn)業(yè)化將迎來重大利好。國際生物育種產(chǎn)業(yè)市場已經(jīng)向少數(shù)大企業(yè)集中，規(guī)?；?、集團(tuán)化和全球化成為生物育種發(fā)展大趨勢。我們要抓住機(jī)遇，建立貫穿基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品創(chuàng)制、示范推廣等全產(chǎn)業(yè)鏈成套創(chuàng)新體系，快速推進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)生物種業(yè)跨越式發(fā)展。
生物技術(shù)引領(lǐng)種業(yè)顛覆式創(chuàng)新
主持人：請分享企業(yè)在生物育種產(chǎn)業(yè)方面的探索實(shí)踐和成功經(jīng)驗(yàn)。
呂玉平【糧油作物生物育種“芯片”研發(fā)專家、隆平生物技術(shù)（海南）有限公司總經(jīng)理】：打贏種業(yè)翻身仗需要兼顧研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，特別是要有市場競爭力的產(chǎn)品?；谶@個(gè)理念，隆平生物技術(shù)（海南）有限公司于2019年成立，開始進(jìn)行主要糧油作物生物育種關(guān)鍵“芯片”技術(shù)研發(fā)。
從國際種業(yè)發(fā)展規(guī)律和趨勢看，國際一流種業(yè)研發(fā)正由分子育種3.0時(shí)代進(jìn)入智能設(shè)計(jì)育種4.0時(shí)代。以轉(zhuǎn)基因、基因編輯、分子標(biāo)記為代表的生物育種技術(shù)正對種業(yè)產(chǎn)生顛覆性創(chuàng)新。國際種業(yè)巨頭孟山都（2018年被拜耳以630億美元收購）從上世紀(jì)80年代開始研發(fā)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，后通過技術(shù)引領(lǐng)和持續(xù)并購擴(kuò)張，累計(jì)并購350家不同類型種子公司，由一家化學(xué)品公司一躍成為國際種業(yè)巨頭并始終保持領(lǐng)先地位。
縱觀孟山都的發(fā)展史，生物技術(shù)是最核心的成功要素。當(dāng)前，種業(yè)轉(zhuǎn)基因商業(yè)化大幕即將開啟，以轉(zhuǎn)基因?yàn)榇淼纳锛夹g(shù)將為我國種業(yè)帶來根本性變化。孟山都30多年依托轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)的種業(yè)商業(yè)化之路為我國種業(yè)提供了有益借鑒。
生物技術(shù)具有技術(shù)壁壘高、研發(fā)投入大、開發(fā)周期長等特點(diǎn)，因此研發(fā)難度比較大。隆平生物從事的是糧食作物玉米、大豆種子精準(zhǔn)育種和性狀改良的研發(fā)，其中抗蟲抗除草劑轉(zhuǎn)基因“芯片”技術(shù)是目前我國種業(yè)的“卡脖子”環(huán)節(jié)。2021年我國進(jìn)口玉米近3000萬噸，如果按平均單產(chǎn)不足500公斤計(jì)算，需要6000多萬畝土地。而大豆進(jìn)口更多，近1億噸，業(yè)內(nèi)專家表示，若生產(chǎn)這個(gè)體量的大豆需要7.9億畝耕地。參考人多地少、耕地資源稀缺的現(xiàn)狀，依靠擴(kuò)大種植面積達(dá)到供給是一件不可能的事。玉米雖然已不作為主糧供百姓食用，但卻關(guān)乎所有百姓的飯碗。玉米號(hào)稱“飼料之王”，我國玉米60%用于飼料，40%用于工業(yè)。而在飼料中，玉米占比達(dá)到60%，是養(yǎng)殖業(yè)重要的能量飼料原料。如果飼料不夠?qū)⒅苯佑绊懾i、雞等養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)量和產(chǎn)品價(jià)格。雖然我國是玉米生產(chǎn)大國，但是平均畝產(chǎn)只相當(dāng)于美國的50%至60%，還需要大量進(jìn)口。提高玉米自給率，必須依靠提高畝產(chǎn)，其中最重要的是發(fā)揮良種作用。通過生物技術(shù)培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗品種是必由之路。
我國生物育種產(chǎn)業(yè)化研究只有10多年，而美國已有50多年。目前的主流技術(shù)是將1個(gè)基因或2個(gè)基因放到一個(gè)載體上再進(jìn)行轉(zhuǎn)化。而隆平生物在007生物育種“芯片”技術(shù)立項(xiàng)并進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，就定位在“人無我有、人有我優(yōu)”的高起點(diǎn)上，顛覆式創(chuàng)新、大跨度的差異化才能有突破、有市場、有后發(fā)優(yōu)勢。
在玉米產(chǎn)品研發(fā)方面，隆平007“芯片”含有3個(gè)抗蟲基因和1個(gè)抗除草劑基因，市場前景廣闊。改良品種能夠有效抵抗近10種害蟲，玉米產(chǎn)量提高15%以上。在玉米生長過程中，基本不用農(nóng)藥，農(nóng)民每畝地至少增收200元。
憑借國際領(lǐng)先水平的玉米生物育種技術(shù)，短短3年多時(shí)間，這支具備很強(qiáng)科研能力的團(tuán)隊(duì)，成為海南玉米生物技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的強(qiáng)勁助力，對打造國家重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)——崖州科技城“生物種業(yè)南繁硅谷”有示范效應(yīng)。目前已研發(fā)出多個(gè)抗性優(yōu)良產(chǎn)品，獲得10余項(xiàng)國家發(fā)明專利授權(quán)。
當(dāng)前海南省崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)展順利，將成為我國生物育種研發(fā)新高地。隆平生物將繼續(xù)以生物技術(shù)引領(lǐng)種業(yè)核心技術(shù)創(chuàng)新，以市場化產(chǎn)品研發(fā)拉動(dòng)種業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)，走出一條有中國特色的生物種業(yè)創(chuàng)新發(fā)展之路。
智慧育種將成種業(yè)核心競爭力
主持人：如何加強(qiáng)生物育種與信息技術(shù)結(jié)合，加快智慧育種？
錢前（中國科學(xué)院院士、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所所長）：目前，全球種業(yè)發(fā)展進(jìn)入空前密集創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革時(shí)期，作物育種正迎來以基因編輯、新一代測序等新型生物技術(shù)，與圖像識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等信息技術(shù)融合的“生物技術(shù)+人工智能+大數(shù)據(jù)”智能化時(shí)代。智慧育種是科技發(fā)展帶來的新機(jī)遇，預(yù)計(jì)在未來10年至20年，智慧育種發(fā)展快慢勢必成為種業(yè)核心價(jià)值和競爭力的關(guān)鍵，由傳統(tǒng)育種到分子育種再到智慧育種，育種的“科學(xué)”成分含量越來越多，“藝術(shù)”成分含量越來越少。生物技術(shù)與信息技術(shù)結(jié)合，推動(dòng)育種向精準(zhǔn)化、高效化和規(guī)模化方向發(fā)展。我國種業(yè)面臨跨國公司壟斷、產(chǎn)業(yè)對外依存度高的局面，給作物育種帶來新挑戰(zhàn)，育種科技亟需革命性改變。
加大基礎(chǔ)性平臺(tái)研發(fā)力度，構(gòu)建生物技術(shù)和信息技術(shù)基礎(chǔ)信息采集平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著基因編輯、合成生物等前沿生物技術(shù)興起，美國等發(fā)達(dá)國家和跨國種業(yè)公司不斷加強(qiáng)高通量、大型化、規(guī)?；?、自動(dòng)化科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快農(nóng)業(yè)生物技術(shù)創(chuàng)新。歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相繼建立高通量作物表型平臺(tái)等重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，加快作物基因設(shè)計(jì)育種步伐。麻省理工學(xué)院、國際水稻研究所等研究機(jī)構(gòu)建立了作物基因編輯、全基因組選擇、合成生物等分子設(shè)計(jì)育種相關(guān)平臺(tái)，專注理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。我國也應(yīng)圍繞生物育種前沿技術(shù)和重點(diǎn)領(lǐng)域部署一批具有國際一流水平的科技信息采集和服務(wù)平臺(tái)，為基礎(chǔ)性、前沿性和引領(lǐng)性核心技術(shù)攻關(guān)提供平臺(tái)支撐。
強(qiáng)化科學(xué)育種底盤技術(shù)創(chuàng)新，布局基因編輯和人工智能等前沿引領(lǐng)技術(shù)攻關(guān)。機(jī)器學(xué)習(xí)方法是人工智能的核心，農(nóng)作物全基因組選擇技術(shù)必將融入機(jī)器學(xué)習(xí)方法等人工智能核心技術(shù)，即通過基因型和表型等數(shù)據(jù)自動(dòng)化獲取與解析，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)快速積累，通過構(gòu)建多維度信息之間的數(shù)量遺傳模型，開展植物性狀調(diào)控基因快速挖掘與表型精準(zhǔn)預(yù)測，實(shí)現(xiàn)育種方案智能化設(shè)計(jì)。同時(shí)整合全基因組選擇和基因編輯、轉(zhuǎn)基因技術(shù)等前沿高新技術(shù)，持續(xù)推動(dòng)傳統(tǒng)育種技術(shù)改造升級(jí)，向精準(zhǔn)化、高效化和規(guī)?；l(fā)展。
搭建精準(zhǔn)鑒定種質(zhì)資源共享數(shù)據(jù)庫，培育優(yōu)勢種質(zhì)資源群和多元化底盤育種資源。種質(zhì)資源不僅是保障國家糧食安全與重要農(nóng)產(chǎn)品供給的戰(zhàn)略性資源，更是農(nóng)業(yè)科技原始創(chuàng)新與現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。依靠海量存儲(chǔ)和高性能計(jì)算技術(shù)，建設(shè)數(shù)字化種質(zhì)資源庫，將海量種子基因數(shù)字化，才能為人工智能育種打下基礎(chǔ)。在高通量測序的大數(shù)據(jù)背景下，國際上對主要作物的基因組數(shù)據(jù)已經(jīng)有相對完備的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，智慧育種的任務(wù)之一是基于種質(zhì)資源信息建立作物育種數(shù)據(jù)提取、挖掘、存儲(chǔ)、分析、共享數(shù)據(jù)庫，整合多組學(xué)數(shù)據(jù)開展聯(lián)合分析，突破生物大數(shù)據(jù)獲取、分析、挖掘等底層支撐技術(shù)，建立“數(shù)據(jù)—技術(shù)—算法—決策”一體化智慧育種策略，提升育種精準(zhǔn)度，縮短育種周期，建立高效作物智慧育種體系。
建立以目標(biāo)為導(dǎo)向的科企協(xié)同攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，促進(jìn)智慧育種在實(shí)際育種中發(fā)揮作用。一方面，與跨國公司相比，我們目前以課題組為單位、上中下游分離的研發(fā)體系缺乏大群體選育等條件。另一方面，我國種業(yè)行業(yè)市場集中度低、科技創(chuàng)新能力不足、科研投入少、投入效率低，與跨國公司相比，在單獨(dú)一個(gè)企業(yè)內(nèi)部實(shí)施全鏈條智慧育種可能性不大。因此，使研發(fā)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈有機(jī)融合，集聚科研院校和種業(yè)企業(yè)優(yōu)勢，實(shí)施以目標(biāo)為導(dǎo)向的科企合作科研攻關(guān)模式勢在必行。
2021年6月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所與阿里巴巴達(dá)成合作，共同推動(dòng)建立生物技術(shù)（BT）、信息技術(shù)（IT）與智能技術(shù)（AT）深度融合的“智慧育種”平臺(tái)，為加快培育作物新品種提供重要技術(shù)支撐。形象地說，智慧育種公共服務(wù)平臺(tái)像一個(gè)“中央廚房”，育種專家就是“廚師”，通過挑選“食材”和“配料”，根據(jù)作物基因型、表型、栽培措施、氣候環(huán)境數(shù)據(jù)和育種過程中相關(guān)圖像數(shù)據(jù)的查詢和聯(lián)合分析，模擬“烹飪”出他們想要的“菜肴”。該合作依托中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所農(nóng)作物基因資源與基因改良國家重大科學(xué)工程等設(shè)施，借助阿里巴巴在大數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和分析等方面的優(yōu)勢，構(gòu)建覆蓋作物育種全鏈條、智能化“智慧育種公共服務(wù)平臺(tái)”，為國內(nèi)育種專家提供公益、普惠的研究支撐服務(wù)，實(shí)現(xiàn)作物育種全流程數(shù)字化管理，提高作物育種信息化水平和育種效率，為綠色、優(yōu)質(zhì)、高效等突破性品種選育提供強(qiáng)有力支撐。
