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“十二五”期间生物农业产业发展回顾

 

  生物农业是指利用现代生物技术,围绕动植物品种选育、健康保障、高效营养等全产业链的关键环节,开展颠覆性技术突破,研发具有市场竞争力的核心产品,对技术、产品进行集成应用,为农业生产提供技术和物质支撑而形成的新兴产业。生物农业分为动植物种业、动植物健康产业和动植物营养产业等,是国家战略性、基础性核心产业。

  “十二五”期间,全国棉花、水稻、玉米、大豆、小麦、奶牛、猪等高效规模化遗传转化技术研发取得显著突破。农作物种业市值达到1113亿元,畜禽水产种业市值3226 亿元,均居世界第二位。种业领军企业开始显现,已形成一批“育繁推”一体化农作物种业龙头企业和畜禽龙头种业企业,农作物种业前50强市场占有率已提高到30%以上。畜禽水产养殖量及产量均居世界前列。目前饲用酶制剂的年均产值达20亿元,使用的生物肥料优良功能菌种已超过150多个,成为世界之最。中国可生产农药品种达500多个。生物饲料产业的市场总值达到每年180亿元,并以年均20%的速度递增。

  一、两系法作物杂种优势利用技术取得重大突破,居国际领先水平

  中国主要农作物杂种优势利用、分子育种、远缘杂交,体细胞培养、倍性育种、诱变育种等育种技术不断升级、融合和创新,形成了较完善的育种技术体系。全国长江流域强优势杂交中籼育种技术取得重大进展,克服了传统水稻传统杂种优势利用遗传基础狭窄的技术难题,培育的强优势水稻杂交种“Y两优2号”亩产达到926.6公斤;利用红莲野生稻与农家品种莲塘早远缘杂交创制了红莲型细胞质雄性不育水稻新类型,探明了红莲型雄性不育机理,解决了红莲型强优势不育系育性恢复的重大科学问题,建立了红莲型杂交水稻育种技术体系,创制了一批红莲型水稻强优势杂交种;在三系法杂交水稻成功40余年之后,中国原创的“两系法杂交水稻技术研究与应用”荣获2013年国家科学技术进步特等奖。创制的中国二系杂交小麦技术体系,实现了从材料发现、理论创立、技术突破到产业化应用,为杂交小麦大面积推广奠定了基础。一批强优势水稻杂交种辽优9906和泸香658、强优势小麦杂交种川麦59、强优势棉花杂交种中棉所86和中棉所84、强优势玉米龙单62等在区试中比对照增产的幅度高达15%以上。中国主要农作物杂种优势研究与应用总体处于国际领先,特别在杂种优势大面积利用和杂交种育种体系创制方面,水稻、油菜、棉花、小麦最为突出。

  二、创制出一批突破性品种,为保障国家粮食安全和农产品有效供给提供了有效支撑

  “十二五”期间,中国在主要农作物上选育并审定新品种3100多个,面向主产区累计推广15亿亩。强优势水稻杂交种“Y两优900”于2014年创造了大面积单产达1026.7公斤的世界纪录,实现了中国超级稻第四期亩产1000 公斤的育种目标。超级稻新品种龙粳31产量高、出米率高、大面积生产表现突出、发展潜力大,已推广766万亩。大豆品种中黄13在黄淮海地区创出亩产312.4公斤的高产纪录。利用分子育种技术新选育优良品种37个,主要包括水稻新品种五丰优615、广两优272、宁粳3、中稻1号、F优498等,小麦新品种中麦175等。京粉 2 号、大午粉1 号和节粮蛋鸡等配套系的育成,大幅提升了国产品种市场份额,国产蛋鸡品种市场占有率已超过 50%;瘦肉型 Z 型北京鸭已转让于“山东新希望六和集团”“内蒙古塞飞亚集团”等龙头企业,直接经济效益 800 万元,约占全国大体型肉鸭出栏量的 40%。

  三、构建了高效育种技术体系,提升了中国农林动植物的整体育种水平

  育种新技术与传统育种方法相结合加速了农林动植物育种进程,取得明显成效。玉米高频诱导系创制和单倍体自动鉴别技术的建立,实现了中国强优势玉米杂交种单倍体育种核心技术的突破与规模化应用。油菜新发现了适合高密种植和机械收获的“棒状”突变体种质,为“杂优+株型”强优势油菜育种和机械化生产提供了材料支撑,对油菜株型育种和种植制度变革具有突破性意义。作物分子育种技术开发取得重要进展,克隆抗虫、抗病、抗逆、抗除草剂、理想株型、高产等具有重大育种价值的基因137个,并开始应用于品种分子改良。值得指出的是,中国科学家从水稻中克隆了一批在育种中具有重要应用前景的功能基因,包括产量性状基因GS3、GW2、GW8、GS5、Ghd7、GN4,籼粳广亲和基因S5,光敏不育基因pms3,分蘖调控基因TE,矮化基因D53,抗旱、抗盐碱基因SKC1、SNAC1,抗病虫基因Xa26、Xa13、Bph14,品质基因GIF1,磷高效基因PUP1等;水稻抗褐飞虱基因Bph14、Bph27、水稻广谱抗稻瘟病基因Pigm、高抗草甘膦EPSP合酶基因、水稻理想株型基因IPA1、水稻穗型基因DEP1等一批具有重要育种价值的功能基因已经得到广泛应用,水稻基因克隆研究居国际领先,全球2014—2015年在国际顶级刊物发表的水稻重要基因克隆论文共16篇,其中中国11篇,占69%。获得功能分子标记628个,抗病虫等新材料57份。建立了高效分子标记辅助育种技术,其中小麦慢病性分子育种效率提高了3倍。中种集团投资开发的水稻全基因组6K和60K育种芯片是世界首张水稻全基因组育种芯片,具有标记位点覆盖全基因组、精确选择中间材料和缩短育种周期三大优势,将引领中国水稻品种培育和质量检测领域革命性的升级。开发出一批诱导率达8%以上的玉米单倍体诱导系,优化了加倍技术,建立了实用高效的玉米单倍体育种技术体系,并应用于育种实践。阐明了航天环境及地面模拟航天环境要素诱发突变的机制与模式,建立了“多代混系连续选择与定向跟踪筛选”的航天工程育种技术新体系;优化了高能混合粒子辐照、物理场处理等地面模拟航天诱变靶室设计与样品处理程序,完善了地面模拟空间环境诱变育种技术方法。继续完善甘蓝、白菜小孢子培养技术,甘蓝与芥菜体细胞融合技术,辣椒花药培养技术体系,建立了小孢子培养、体细胞融合、花药培养技术体系。单倍体诱导、航天诱变育种与常规育种、杂种优势利用相结合,在玉米、水稻、小麦、棉花、蔬菜等作物上创制特异新种质210份。林木果树在高世代育种亲本构建、多倍体育种技术取得重要进展,显著缩短了育种周期。动物育种中,提出了快速、准确的TA-BLUP基因组育种值估计新方法和低密度SNP芯片基因组选择策略;建立了自主知识产权高密度SNP芯片基因型数据分析平台,其中海洋生物分型准确率比国际水平提升20%。建立了基于全基因组选择、胚胎工程技术代表的分子与细胞育种技术体系,并已初步应用于奶牛和种猪培育,标志中国奶牛育种技术跻身于世界育种强国行列。

  四、种质资源创新能力显著提升,为品种选育提供了重要遗传基础

  经过协同攻关,中国农作物种质资源拥有量超过47万份,数量居全球第二位,鉴定筛选出优异种质资源1.5万份。水稻种质创新力居国际领先,小麦丰产抗病种质创新力达国际先进,玉米种质创新力取得显著提升。初步构建了作物种质“分子身份证”数据库,其中水稻、小麦和玉米等库容约3万份,居国际前列。制定了150多种作物的种质资源鉴定技术规程、鉴定数据标准和数据控制规范,并对种质库、圃、试管苗库保存的100%的种质资源进行了基本农艺性状鉴定,对30%以上的库存资源部分抗病虫、抗逆和品质特性等进行了评价。针对水稻、小麦、玉米、大豆、棉花、油菜等主要农作物,建立了多年多点、数据高效采集的表型精准鉴定模式,发展了抗病虫、抗逆、品质、氮磷高效、适合机械化作业等育种急需性状的鉴定方法和标准,并针对约2000份种质资源开展了少数性状的精准鉴定;建立了基于SNP芯片和重测序技术的基因型精准鉴定模式,应用关联分析技术在种质资源中发掘重要性状基因的技术方法逐渐推广,并在水稻、小麦、玉米中得到应用。研制了主要农作物的种质资源描述规范、数据标准和数据质量控制规范,建立了数据总量达300GB的中国作物种质资源数据库群和“中国作物种质资源信息系统(CGRIS)”等一系列作物种质资源应用软件系统,实现了作物种质资源信息化管理,以及材料和信息共享服务。

  通过远缘杂交和诱发突变等手段,拓宽作物遗传基础,创制一批小麦种质资源,其中包括普冰多花多实优异新材料,四川高抗穗发芽地方品种转育及抗穗发芽新材料,实心抗倒小麦新材料创制,兼抗、大穗、早熟亲本创新,矮秆小麦/长穗偃麦草易位系创制与鉴定,新的抗白粉病小麦/黑麦易位系创制与鉴定,矮秆不早衰DH系的创制与鉴定,兼抗赤霉病、纹枯病、白粉病新种质等。创制并有效利用了一批骨干亲本材料周8425B、鲁麦14 、普通小麦-簇毛麦6VS/6AL易位系和普冰系等。在全国小麦育种中发挥了重要作用,成为新的骨干亲本;具远缘血统的抗病亲本普通小麦-簇毛麦6VS/6AL易位系高抗白粉病和条锈病,农艺性状较好,用做亲本育成石麦14 和扬麦18 等15个品种;用人工合成小麦育成的川麦42 和川麦47 等高产抗病,已在西南地区大面积推广;多花多粒新种质普冰3504、普冰3228等开始在小麦新品种培育中发挥作用。

  通过细胞工程、转基因等技术,鱼类种质创新居于世界前列。获得了抗病、快速生长、高品质等类别的遗传资源。目前世界范围内仅有几例稳定遗传的转基因经济鱼类家系,中国培育成功具有完全自主知识产权的转全鱼GH基因鲤纯合子及其家系,生长速度快、饵料转化效率高。利用雌核发育草鱼与普通草鱼杂交,大规模制备抗病草鱼,2011—2015年示范推广了抗病草鱼苗种6亿尾,产生了显著的经济和社会效益。

  五、动植物功能基因研究取得重大突破,有效支撑动植物育种技术的发展

  中国在国际上率先构建了水稻、小麦A和D染色体、棉花、油菜、黄瓜、大白菜、甘蓝、西瓜等全基因组序列框架图,并对多种作物进行了重测序,鉴定出一批重要的基因组区段并开发了相关的分子标记,构建了主要作物的超高密度遗传图谱,促进了水稻、小麦等主要作物抗病虫、抗逆、优质和高产等重要基因的发掘。基于功能基因组学、蛋白组学、代谢组学等研究平台,初步解析了水稻、小麦、玉米、棉花、油菜、黄瓜等农作物产量、株型、品质、抗性、育性等重要性状形成的分子基础,创新了品种改良方法和理论基础。建立了稳定、高效的水稻、小麦TILLING分子突变育种平台;利用新一代DNA测序技术率先开发了高通量基因型鉴定的方法,实现了以测序为基础的高通量的数量性状QTLs快速定位;与目前广泛应用的分子标记相比,在速度上加快了20倍,在精度上提高了35倍。基因表达调控技术取得新突破,首次建立植物和动物CRISPR/Cas9基因组定点编辑技术体系,并在水稻和小麦上成功应用。

  在农业动物领域,完成了牡蛎、鲤鱼、草鱼、北京鸭等动物的基因组测序,构建了首个牡蛎、鲤鱼、草鱼、鸭、绒山羊序列精细图谱和高密度变异图谱,推动了贝类、鱼类以及水禽进化和功能基因组研究;鸭免疫遗传机制的揭示奠定了禽类抗病育种理论基础。完成藏猪、荣昌猪的比较基因组测序,建立了农业动物转录组学和蛋白组学联合分析平台和抗病基因挖掘和分子标记选择评估平台,鉴定出一批猪、牛、羊重要经济性状功能基因。突破了海洋无脊椎动物基因组复杂度高的测序技术瓶颈,获得了牡蛎基因组序列,初步揭示了牡蛎维持体内稳态的网络调控分子机制。在林果花草领域,完成了全球首个砀山酥梨基因组、甜橙、毛竹基因组序列拼接与注释,构建完成了首张梅花全基因组精细图谱。这些研究成果陆续发表于国际顶级刊物Nature和Nature Genetics等,标志着中国基因资源挖掘取得重大突破,并达到国际先进水平。

  六、生物农业发展的产学研管结合模式高效运行

  “十二五”期间,进一步完善建立起多种富有成效的“产学研管”紧密结合的生物农业协同攻关发展模式。近5年推广面积居前15位的三大粮食作物品种几乎全由主要优势科研单位、大学和企业联合协同攻关的成果。玉米品种郑单958和小麦品种矮抗58等的研发与推广即为成功典范。2013年获国家科技进步一等奖的小麦品种百农矮抗58,由河南科技学院等单位与河南中种联丰种业等5家公司联合开发,构建了“首席 + 核心”的成果推广模式,育种人和品种权单位作为成果转化的“首席专家和首席推广单位”,负责保障原种和配套技术,河南中种联丰种业和河南滑丰种业等5家大公司为“核心推广企业”,分区域负责,使推广速度比传统模式提高8—10倍,年最大种植面积达4300多万亩,成为小麦科研成果快速转化的成功典范。在动物上,初步形成了产学研结合的商业化育种模式。如优质蛋鸡品种“京粉、京红”的培育是北京市峪口禽业有限责任公司与中国农大长期合作完成的。华南农大与广东温氏食品集团成功培育推广了华农温氏一号猪配套系,推广规模达1千多万头。

  七、生物农业企业创新能力显著提升

  生物育种前沿新技术的应用、品种试验测试体系建设及育种数据信息化管理系统的应用,极大提高了种业企业商业化育种能力,突破性新品种的培育能力显著提升。在全球种业科技创新的驱动下,中国生物种业发展方式产生了革命性变化,种子生产的标准化、专业化程度和种子商品化率大幅度提高;企业自主创新能力明显增强,一批育繁推一体化龙头企业和科技型企业快速发展;种业产业集中度不断提高。目前,农作物种业前50强企业的市场占有率已提高到32.8%。中国农作物种业市值达1113亿元,畜禽水产种业市值3226 亿元,均居世界第二位水平,林木种业市值据估算达到了2000亿元。隆平高科种业在湖南亚华种业科学研究院的基础上成立了隆平高科种业科学研究院,建成了以企业为主导,以市场为导向的集团自主研发体系。依托袁隆平院士等团队研发的两系法杂交水稻品种选育技术,通过科企联合攻关模式广泛应用,成功选育出丰两优1号、新两优6号等一批具有企业自主知识产权、累计推广面积超过1000万亩以上的杂交稻大品种,同时也培育出隆平高科、丰乐种业、金色农华等一批年销售收入超过5亿元、具备较强自主研发能力的育繁推一体化龙头企业。

  中种集团、登海种业等企业以京科968等优良新品种的研究与产业化为共同利益点,联合优势科研单位构建的北京国家现代农业科技城玉米新品种研发联合体,不仅促进了品种的快速推广,也使各企业获得了稳定的业绩增长保障。山东鲁研公司与山东省农科院作物研究所合作推广小麦品种济麦22,不仅创造了巨大的经济效益,也使山东鲁研发展成为中国最大的专业性小麦种业企业之一。

  生物种业企业的种业创新要素集聚效应突显,企业自主创新与生物服务能力快速提升。例如,华大基因整合了从基因组到基因挖掘到分子育种的全线贯穿的大平台,累计完成超过20000份农业物种基因组数据的获取,拥有超过80%的全球农业基因组数据;在基因挖掘方面,依托华大基因高通量的基因分型平台,已经获取了300多个重要农艺/经济性状控制位点,平台的年通量达到超过一千个以上的基因;在分子育种方面已经可以做到2年5个世代快速获取新的品种,已经获得了超过15个以上的定向改良的新品系和新品种。华大基因全基因组分子育种技术平台以高通量基因组测序和信息分析为基础,通过高密度遗传图谱快速构建和性状相关基因定位,利用常规育种的杂交和回交手段,借助全基因组高密度分子标记进行优良单株精准选择育种,将突破传统育种周期长、可预见性差、选择效率低等瓶颈,使快速、高效、可控的精准育种方式成为可能,推广应用潜力巨大。

  此外,由以北大荒垦丰种业股份有限公司为核心的8家“育繁推一体化”玉米企业携手中玉科企联合成立的中玉金标记(北京)生物技术股份有限公司,以及由隆平高科、神农大丰、丰乐种业、中种集团等12家中国水稻种业领域有影响力的种业公司共同发起创立的华智水稻生物技术有限公司,应用分子育种手段服务种业企业在最短时间里高效地创造出市场所需要的产品,为玉米和水稻种业产业化的可持续性发展提供了强有力的科技与平台支撑。

  八、生物农业产业化快速发展提高了中国粮食安全保障能力

  在战略性新兴产业政策及系列专项的大力推动下,全国生物种业企业在整合现有区域种业资源,创新种业发展模式,促进育繁推一体化,提升中国生物育种产业持续发展能力方面已经取得了初步成效。北大荒垦丰种业联合优势科教单位育成审定的德美亚1号和3号等玉米品种具备早熟、优质、高产、抗病、耐密、抗倒伏、适合机械化收获等特征,创造了在高寒、高纬度、冷凉地区玉米种植上的新突破、在种植密度上的新突破、在早熟品种产量上的新突破、在栽培措施上的新突破,这批品种的产业化为黑龙江省千亿斤粮食产能工程和成为中国第一产粮大省做出了突出的贡献。山东鲁研公司依托本专项推广的小麦品种在省内外年播种面积达4200万亩,增产达8.4亿公斤,增加社会效益值17.6亿元。在促进农民增产增收的同时,对提高全国小麦生产能力,打破国外种业对中国国内市场的威胁,保障国家粮食安全均具有十分重要的意义。

  现代生物种业是一条完整的产业链,包括种质创新、品种选育、种子生产、种子加工和种子营销。种业竞争的实质是科技创新实力的竞争,竞争的焦点已从品种拓展到基因资源和专利技术。首先,企业如何将传统生物育种与现代生物技术相结合成为建立种业科技创新体系的关键,要持之以恒推进生物育种能力提升工程,加速育种新材料的创制和现有育种资源的性状改良,实现作物育种从传统经验育种向科学精准育种的产业升级转化;其次,继续推进研发基础设施提升工程,进一步补充完善商业化育种体系的设施设备,强化品种测试点的科学化、信息化建设,构建形成作物全生态区育种体系,支撑商业化育种研发的快速发展;第三,要进一步探索利用和整合现有科教单位优势资源的新思路,推进重大新品种创制与产业化工程,加大新品种创制速度和推广关键技术研究,提升企业重大品种创新与产业化能力,加快国家生物育种新品种的更新换代和现代种业产业升级,不断增强生物农业产业支撑国民经济社会发展的原动力。

  中国农业科学院

  刘录祥