关于2023分子植物育种大会随笔记录与思考

发布时间 2024-01-09 21:34:31作者: 生物信息与育种

2023年底分子植物育种大会在成都举行,会后要点胡乱记录之。有些来自嘉宾观点,有些是个人思考,杂糅一起,仅供参考。

智能育种

分子设计育种:形态、生理、基因、等位基因、单倍型、基因组区段、通路、网络、表观组。统言之,生物相关分子皆可设计。

科迪华玉米GP预测(Alencar Xavier et al., 2023):数据来源(基因组、环境型来自NASA,meta栽培数据)。

智慧育种要点:big data,AI,robot。育种家应该为育种大模型(LLM)标注数据。对于GS,规模就是效应。

高产genes往往聚类,位于同一网络。

华大CropGS-Hub的设想:21年与黄学辉老师合作,以最小产品概念,推出可落地使用的GS平台;结合华大多组学研究优势,目标形成一套完整的动植物产业应用的关键共性平台(看来不是华智独创)和服务产业发展。

大豆GS模型SoyDNGP的几点思考:基因型转换机制(one-hot编码变为基因型三通道);模型的可用性;更多应用价值(种质筛选,杂交种选择,多性状聚合和评价,位点重要性评估,模型可解释性,环境因子整合)。该模型优势主要在于参数量大。

应用:可解释性,基于注意力机制的位点解析,GxEx(M)。

GS/GP不足:分子机制不明,多环境,植物发育的时空动态性。系统生物学是出路吗?我并不认同,成本和准确性(包括分子鉴定的准确性和研究结果的准确性)决定。佟昊博士的研究方向与李林老师的解决方案如出一辙,基于生物网络和多组学的系统生物学在未来20年内绝对不是GS的出路,我说的。

转基因

目前转基因应用转化基本都是农杆菌,而非基因枪。小麦转化:基因枪68.8%,农杆菌介导15.9%。

转化效率:水稻30%(籼)85%(粳)、小麦35%、玉米10%、大豆8%、棉花30%。一般不是直接转,需要中间供体材料,再进行回交转育。

全球转基因品种:80%棉花、77%大豆、32%玉米和30%油菜。中国生产棉花和木瓜,玉米和大豆只进口。

2009年水稻华恢1号获证,此后极大阻力,到如今,政策已向好。1996年全球首个转基因玉米上市,2023年,大北农等37个转基因玉米品种审定。从头研发需要11-17年时间,引进创新7-9年(基本靠这种方式)。

黄金大米GR2E(转入psy1、crtl、pmi)2021年菲律宾商业化生产。抗旱转基因小麦HB4 2020年阿根廷、2023年巴西商业化生产。

转基因趋势:多基因聚合、多性状叠加(抗虫、抗除草剂、品质)、工业医药(武大杨代常的植物源重组人血清白蛋白OSrHSA已进入临床)。

具有商业价值的杀虫基因:特异(对有益生物无毒)、特效(杀虫能力强)。

国际上主流抗鳞翅目害虫玉米转化体:Bt11/Mon810、TC1507、Mon89034、Mir162、Mon95379(Bayer新的,尚未推广)。

市场上主流耐除草剂技术:抗草甘膦(Monsanto)、抗草铵膦(Bayer)、抗麦草畏、抗2,4-D。主要解决方案是拜耳的草甘膦+麦草畏和科迪华的草甘膦+2,4-D。草甘膦抗性杂草种类在迅速增加。

基因编辑

农作物基因编辑及衍生技术:基因定点敲除(较成熟)、定点单碱基编辑(较成熟)、引导编辑(含碱基转换、颠换、小片段Indel)、基因替换或定点整合(技术难点)、基因表达调控(甲基化与去甲基化)。3-6年改良作物(转基因13年),150+农作物产品获批商业化,今年舜丰高油酸大豆是国内第一例安全证书。

不足:抗虫,多基因编辑。

水稻、玉米等单碱基50-60%转化率,小麦较难(多倍体)。

棉花基因编辑体系:Cas9,Cas12a/1b,dCas9,Cas13,Cas敲入和表观修饰等。

基因编辑育种涉及IP:底盘品种、编辑工具、递送技术、功能基因。

育种实践

水稻、小麦国内单产超国际,已接近天花板。

主效基因很早就已经被育种家悄然选择了。牛逼基因不能只与Wild品种比较,而要与生产CK比较。

杂交小麦的瓶颈:用种量大、杂种优势不强、制种较困难。

理想株型是未来作物突破产量的关键,整体生物量需要达到一定高度方能增产,不能像过去靠耐密(如玉米,从过去每亩2千——>8千——>1万)。

为何DH只在玉米、油菜等作物育种中流行?异花授粉作物。自花授粉易纯合、人力成本低,但时代变了。未来所有作物都会用到DH,而DH与GS天作之合。铁岭东升每年服务产生上百万DH系,其他如华育和创、中玉金等。

关键诱导基因ZmPLA1和ZmDMP(第一个非stock6来源,实现双子叶跨作物遗传基础),遗传贡献率接近90%,两个基因互作DH诱导率表现倍增效应。跨作物通用单倍体诱导:基于PLA的单子叶作物,基于DMP的双子叶作物。

水稻单倍体诱导:农大稻1号(2-3%);双子叶植物中很多作物DH诱导已经能够达到60%以上。拟建立跨作物单倍体育种技术创新联盟。

1995年开始启动诱导系选育,06年进行商业化育种大规模应用,到现在的多作物通用DH育种,陈绍江老师是真正值得敬佩的育种科学家。

第三代杂交水稻推出很多年没有成效(甚至有个报告人提到了第五代杂交种,5G是吧,真服),据邓院士说去年开始审定。会上又宣传第三代杂交小麦。我只看到了白花花的银子。

近期两篇Science令人瞩目:李文学老师鉴定关键基因ZmNAC78和金属转运蛋白组成分子开关控制铁元素进入玉米籽粒,同时开发分子标记培育出籽粒富铁的玉米新品系。严建兵老师的玉米起源百年争论之研究也很有意思,这些才是前沿开创性的工作。

博瑞迪:人工气候室+基因分型(18个月)基因定向改良服务;玉米抗南方锈病基因RppK(华农广谱材料K22)MAS和转基因育种策略;隆平高科GS玉米组合晋级(46.21%),疑问:除了提供10K Panel,GS是他们做的?

生物育种的发展方向:实验科学——>工程化。

川麦104的育种经验:基于人工合成小麦,表型与基因型鉴定的有机结合,决选优异株系。优良性状基因正向选择,不利性状基因负向选择。川麦104成功聚合重要性状基因/QTL 27个。此后作为底盘品种衍生出一系列品种,如川麦42。

注:会议内容很多,涉及玉米、小麦、水稻、大豆、黄瓜、甘蔗、林木、茶叶、梨、桃等诸多物种,不一而足,我仅记录自己感兴趣和关注的点。一孔之见,望大佬们指教。