圖① Pan800K小麥基因組變異位點(diǎn)物理圖譜。
圖② 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的西瓜新品種“無(wú)杈彩虹1號(hào)”。
圖③ 康相濤院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
陳鋒在小麥試驗(yàn)田察看苗情。本版圖片均為受訪者供圖
□本報(bào)記者 樊雪婧 實(shí)習(xí)生 劉羽翀
種子是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“芯片”。
習(xí)近平總書(shū)記在海南考察時(shí)指出：“中國(guó)人的飯碗要牢牢端在自己手中，就必須把種子牢牢攥在自己手里。”
育種進(jìn)程中，基因起著決定性的作用。而掌握基因，并非易事。科學(xué)家們一直希望能像“查字典”一樣快速定位控制重要性狀的基因，基因芯片便應(yīng)運(yùn)而生。利用已知序列的DNA片段定位目標(biāo)基因，通過(guò)片段中的探針檢測(cè)出哪個(gè)部分發(fā)生了變異，進(jìn)而在“字典”中對(duì)該變異進(jìn)行篩選。
小小芯片，連著的是“國(guó)之大者”。從靠天吃飯到科學(xué)定制，從經(jīng)驗(yàn)育種到精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，基因芯片技術(shù)正在重塑育種的未來(lái)。今天，和記者一起探訪農(nóng)業(yè)“芯片”的破譯之路吧。
西瓜有了“基因身份證”
盛夏，正是西瓜成熟的季節(jié)。8月5日，在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)瓜類(lèi)種植基地，一處吊蔓西瓜種植區(qū)里綠意盎然。少了旁逸斜出的散亂枝芽，瓜蔓整齊地向上伸展，看上去十分舒朗整潔。
“它叫‘無(wú)杈彩虹1號(hào)’。”河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院教授楊路明笑著告訴記者。
外表看與普通西瓜無(wú)二致，名字卻點(diǎn)明了其獨(dú)特性：側(cè)枝少、瓜瓤紅黃相間、種植省力省工。
“正常西瓜植株每個(gè)節(jié)間都會(huì)生長(zhǎng)側(cè)枝和卷須，生產(chǎn)中需要頻繁整枝打杈，這項(xiàng)人工成本占據(jù)種植成本的三至五成，這也是導(dǎo)致近年來(lái)我國(guó)西瓜種植比較效益下降的一個(gè)重要原因。”他介紹，“無(wú)杈彩虹1號(hào)”則在遺傳上具備了少發(fā)側(cè)枝的特性，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有這樣的品種。
這是怎么做到的？“核心在于我們自主研發(fā)的西瓜基因組液相芯片和精細(xì)定位的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的少側(cè)枝基因。今年6月，這個(gè)芯片剛剛簽約轉(zhuǎn)化。”他邊說(shuō)邊拿出一個(gè)手指大小的透明管，里面的無(wú)色液體便是液相芯片的核心組分。
小小一管，蘊(yùn)藏著巨大能量——它集成了超過(guò)1萬(wàn)個(gè)西瓜基因組關(guān)鍵位點(diǎn)的檢測(cè)探針。這如同為西瓜基因打造了一張專(zhuān)屬“身份證”，能夠精準(zhǔn)高效地對(duì)西瓜種質(zhì)資源進(jìn)行基因型鑒定，在群體遺傳結(jié)構(gòu)解析、重要性狀基因定位、種質(zhì)親緣關(guān)系鑒定、種子純度檢測(cè)及分子標(biāo)記輔助育種等多個(gè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。
正是利用芯片，研究團(tuán)隊(duì)得以對(duì)西瓜骨干親本進(jìn)行精準(zhǔn)定向改良，把早熟、少側(cè)枝、高品質(zhì)等優(yōu)異性狀快速聚合，以科技創(chuàng)新突破種植瓶頸。目前，該品種已在河南、云南等多地開(kāi)展區(qū)域試驗(yàn)，反饋良好。
探尋控制這些優(yōu)異性狀的基因之路并非坦途。
“在兩三年內(nèi)成功解析一個(gè)關(guān)鍵基因已屬不易，有的研究周期甚至可能長(zhǎng)達(dá)10余年。”楊路明介紹，西瓜基因組包含超過(guò)２萬(wàn)個(gè)基因，但功能研究明確的基因尚不足百個(gè)。目前，實(shí)驗(yàn)室精細(xì)定位了控制株型、品質(zhì)等重要農(nóng)藝性狀的重要基因20余個(gè)。
“我國(guó)是全球西瓜生產(chǎn)與消費(fèi)第一大國(guó)，河南西瓜種植面積和產(chǎn)量均居全國(guó)首位。但當(dāng)前西瓜育種仍面臨一些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，例如分子育種技術(shù)應(yīng)用相對(duì)滯后、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)異基因資源挖掘不足等。”他指出，傳統(tǒng)西瓜育種更像開(kāi)盲盒，充滿(mǎn)了隨機(jī)性。有了芯片，育種人員能夠精準(zhǔn)選擇目標(biāo)基因型進(jìn)行聚合，育種過(guò)程變得定向、高效。他給記者算了一筆賬，傳統(tǒng)育種通常需要4~5年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，借助分子標(biāo)記輔助選擇，只需2~3年，育種周期縮短了一半。
西瓜育種效率飛躍，風(fēng)味、輕簡(jiǎn)化栽培等關(guān)鍵性狀也得以精準(zhǔn)優(yōu)化，這讓夏日里的“解暑快樂(lè)”，有了更硬核的科學(xué)支撐。
小麥育種開(kāi)啟“智慧導(dǎo)航”
小麥，有多少個(gè)基因？答案是20萬(wàn)個(gè)。
“小麥的基因組像本沒(méi)目錄的百科全書(shū)，想要找有用基因就得一頁(yè)頁(yè)翻。”河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院副院長(zhǎng)陳鋒打了個(gè)比方，“小麥芯片就像給這本書(shū)加了精準(zhǔn)索引，想找啥基因，一查就行。”
陳鋒口中的小麥芯片，名叫Pan800K超高密度基因芯片，是目前全球涵蓋群體遺傳及功能基因信息最多的小麥芯片。
“我們收集了全球超過(guò)3000份有代表性的小麥種質(zhì)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行泛變異組設(shè)計(jì)而成，前前后后花了四五年，設(shè)計(jì)了80萬(wàn)個(gè)位點(diǎn)，又額外安插了5萬(wàn)個(gè)輔助位點(diǎn)，滿(mǎn)足功能基因位點(diǎn)覆蓋的同時(shí)保證了基因組分布的均一性。”他回憶道，反復(fù)測(cè)試優(yōu)化，就像打磨一件寶貝。
2024年11月，基于小麥超高密度基因芯片WheatPan800K的智慧基因挖掘和育種選擇系統(tǒng)簽約轉(zhuǎn)讓?zhuān)瑓f(xié)議金額高達(dá)1500萬(wàn)元。
價(jià)值千萬(wàn)的小麥芯片，里面裝著什么？陳鋒道出了秘密：芯片涵蓋中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)等全球20多個(gè)小麥主要生產(chǎn)國(guó)及目前已經(jīng)報(bào)道的重要基因功能位點(diǎn)，包含超過(guò)18萬(wàn)個(gè)基因區(qū)段的SNP和InDel信息以及5萬(wàn)個(gè)基因間區(qū)的多態(tài)性信息。
“高密度基因芯片就像一臺(tái)高效的‘基因雷達(dá)’，幫科研人員快速定位與產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等相關(guān)的基因。”陳鋒說(shuō)，你可以把它理解為一種小麥基因檢測(cè)工具，像給小麥做基因“CT掃描”一般，材料中有哪段基因，一目了然。
在他看來(lái)，研發(fā)芯片主要想解決兩個(gè)大問(wèn)題。一個(gè)是基礎(chǔ)創(chuàng)新研究，挖掘更多功能基因；另一個(gè)就是育種應(yīng)用，用芯片智慧育種。“從事小麥基礎(chǔ)研究的人員越多，功能基因挖掘的數(shù)量越多，能夠聚合基因的數(shù)量越多，育種中控制性狀的穩(wěn)定性越強(qiáng)，基因芯片的作用由此會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大。”
比如，一個(gè)主栽小麥品種，高產(chǎn)卻不抗病。利用芯片技術(shù)將抗病基因快速導(dǎo)入到該品種中，通過(guò)1~2年時(shí)間就能快速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)改良。但這要在以前，可能需要長(zhǎng)達(dá)8~10年的時(shí)間。
河南作為全國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)，要扛穩(wěn)糧食安全重任，做強(qiáng)小麥芯片至關(guān)重要。
快速高效挖掘基因，快速分析與選擇優(yōu)異材料，就像為育種工作者進(jìn)行品種選育開(kāi)啟了智慧導(dǎo)航，從大規(guī)模多樣化的育種群體中海選出最優(yōu)秀的潛力材料，變得高效且精準(zhǔn)，改變了過(guò)去靠人工測(cè)量、靠種植觀測(cè)的局面。
“以后芯片會(huì)更厲害。隨著大量功能基因的挖掘，我們希望未來(lái)育種時(shí)，品種存在什么缺陷以及期望擁有什么屬性，能夠依據(jù)芯片結(jié)果找到供體材料進(jìn)行快速精準(zhǔn)改良。”他向記者展示了團(tuán)隊(duì)新培育的優(yōu)質(zhì)富鋅品種豫農(nóng)268和強(qiáng)筋一級(jí)品種豫農(nóng)269。“現(xiàn)在隨著生活水平的提高，人們想要吃飽，更想要吃好。鋅是人體必需的微量元素，對(duì)提升免疫功能、促進(jìn)兒童生長(zhǎng)發(fā)育等有重要作用。我們利用基因芯片，培育出了富鋅小麥品種，目前已經(jīng)通過(guò)省審，正在加速走向人們的餐桌。”
陳鋒眼中滿(mǎn)是光芒：“我們會(huì)繼續(xù)大規(guī)模地篩選重要功能基因的優(yōu)異單位型，比如針對(duì)小麥品質(zhì)、抗病等重要調(diào)控基因，將其優(yōu)勢(shì)單倍型引入芯片，不斷擴(kuò)充芯片容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，為小麥育種提供更強(qiáng)支撐。”
雞芯片助力土雞變身金鳳凰
在河南三高農(nóng)牧股份有限公司的養(yǎng)殖場(chǎng)里，工作人員正在對(duì)剛剛出生的小雞進(jìn)行采血，而后利用“神農(nóng)1號(hào)”地方雞基因組液相芯片試劑盒進(jìn)行基因檢測(cè)。利用小雞一滴血就能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)雞只的產(chǎn)蛋量。以前，想要知道這個(gè)結(jié)果，則需要將小雞飼養(yǎng)到43周，再進(jìn)行產(chǎn)蛋性能的確定。
為什么這么高效？
“我們?cè)?lsquo;神農(nóng)1號(hào)’芯片的功能位點(diǎn)模塊中，融合了我們團(tuán)隊(duì)最近研究成果，迭代升級(jí)了一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于產(chǎn)蛋性能檢測(cè)的功能模塊。”河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院教授、康相濤院士團(tuán)隊(duì)核心成員田亞?wèn)|告訴記者，將一個(gè)產(chǎn)蛋性能未知的個(gè)體進(jìn)行芯片檢測(cè)，得到這個(gè)個(gè)體的每一個(gè)芯片位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基因型信息。芯片上每一個(gè)位點(diǎn)意味著對(duì)育種的貢獻(xiàn)值，通過(guò)未知個(gè)體基因型信息的組合，便能看出其是否具備高產(chǎn)性能。
2023年，基于前期雞泛基因組研究成果與公共數(shù)據(jù)，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授、中國(guó)工程院院士康相濤及其團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了適用于我國(guó)地方雞基因組系列液相芯片“神農(nóng)1號(hào)”。這是我國(guó)首款地方雞專(zhuān)用基因芯片，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白。
“種子是農(nóng)作物的芯片，那么地方雞種質(zhì)資源就是家禽種業(yè)的芯片。地方雞種質(zhì)資源的保護(hù)是畜禽育種的基礎(chǔ)，以地方優(yōu)良畜禽資源加上國(guó)內(nèi)外優(yōu)異的種質(zhì)資源，就像廚師做菜一樣——有了好料，才能烹飪出更好的菜。”在康相濤看來(lái)，種質(zhì)資源就是育種創(chuàng)新的關(guān)鍵。
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)地方雞品種資源豐富，蘊(yùn)藏著寶貴的遺傳基因?qū)殠?kù)。然而，由于缺乏有效的鑒定和評(píng)價(jià)手段，這些珍貴的資源難以得到充分的保護(hù)和利用。傳統(tǒng)的家禽育種方法主要依賴(lài)于表型選擇，效率低、周期長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代畜牧業(yè)快速發(fā)展的需求。
“它不僅能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出與重要經(jīng)濟(jì)性狀相關(guān)的基因，比如，生長(zhǎng)、繁殖、屠體等，用于地方雞品種的快速精準(zhǔn)鑒定、遺傳多樣性分析和分子標(biāo)記輔助選擇，從而加速優(yōu)良品種的培育進(jìn)程。”田亞?wèn)|介紹，“芯片還可以用于地方雞品種資源的保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用，例如，建立地方雞品種的基因庫(kù)，篩選具有特殊價(jià)值的基因資源，開(kāi)發(fā)新的地方雞品種等。”
“神農(nóng)1號(hào)”基因芯片載著新希望而來(lái)。小小芯片，搭建起地方雞種質(zhì)資源鑒定、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)、保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用的高效技術(shù)平臺(tái)，讓地方雞變身為金鳳凰。
名詞解釋
不同于計(jì)算機(jī)芯片，農(nóng)業(yè)“芯片”其實(shí)是基因芯片技術(shù)。其基本原理是利用同源DNA分子雜交的特性，將大量的DNA探針固定于“芯片”，然后與待測(cè)樣品的DNA進(jìn)行雜交。通過(guò)檢測(cè)雜交信號(hào)的強(qiáng)弱，就可以判斷待測(cè)樣品中是否存在特定的基因序列。這種技術(shù)具有高通量、高靈敏度、高特異性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于基因表達(dá)分析、基因突變檢測(cè)、基因分型等領(lǐng)域。
