转基因和基因编辑产业化应在玉米上首先实现

摘要:玉米是全世界也是我国种植范围最广、用途最多、总产量最高的作物。发展玉米生产对保障我国粮食安全和满足市场需要发挥着至关重要的作用。本文分析和阐述了我国玉米生产的现状、现阶段的主要问题及未来的发展趋势,并提出了相应的对策和建议。此外,对年玉米主要研究进展进行了总结。

一、我国玉米生产现状

1、玉米是全球也是我国第一大作物,是我国粮食安全和稳产增产的主力军全球玉米总产已多年保持在10亿吨以上,是全球总产量最大的粮食作物。同时,玉米还是种植范围最广、单产潜力最高、用途最多的作物,也是杂交种应用最早最普及的作物之一,全球主要跨国种业巨头公司都已进入中国开展玉米研发和参与市场竞争,玉米种业均是各大种业巨头公司的主营业务。我国玉米生产包括籽粒玉米、鲜食玉米和青贮玉米。年籽粒玉米面积5.32亿亩,总产2.16亿吨,为仅次于美国的全球第二大玉米生产国;我国籽粒玉米生产正面临较大的库存压力和农民种植玉米经济效益偏低等突出问题。鲜食玉米约万亩,包括甜玉米约万亩,糯玉米多万亩,甜加糯型玉米多万亩,我国已成为全球第一大鲜食玉米生产国和消费国;我国的鲜食糯玉米在全球具有领先优势,生产上使用的所有鲜食糯玉米品种都是我国自主选育的,并已经走出国门,在一带一路走出去的战略中将发挥更重要作用。例如京科糯0这个品种不仅多年来一直是我国种植面积最大的鲜食玉米品种,同时在越南每年种植已经达到多万亩,成为越南的主导品种。青贮玉米生产在当前我国供给侧改革,玉米优化品种结构、粮改饲大背景下正在得到快速发展。年度,我国全株青贮玉米面积也已0多万亩。但我国全株青贮玉米产业还处于初级发展阶段,未来将进入一个快速发展时期。2、我国玉米产业面临激烈的国际市场竞争我国历经4?年连续十二年增产,积累了较大的玉米库存,以及玉米生产在劳动力、土地流转、农资投入等成本增加的多重影响下,成本偏高,籽粒玉米在国际市场竞争力偏弱。我国自年取消了东北玉米的保底收购,玉米价格降到每市斤0.7元以下,基本与国外进口玉米价格持平。和年度我国每年进口玉米及其替代品如饲用高粱、大麦、木薯干、玉米干酒糟等累计都在多万吨以上,对我国玉米生产冲击较大。?3、我国玉米生产水平同美国等发达国家相比还有较大差距美国是全球第一大玉米生产国和消费国,同时也是玉米研发和生产水平最高的国家,美国玉米种植面积保持在5.5亿亩左右,全国平均亩产已达公斤以上。我国年平均亩产为公斤,与美国还有较大差距。造成这种差距是多方面的,除了品种和种子因素以外,还有美国的气候适宜、土地肥沃以及规模化和全程机械化,并且已基本实现了转基因品种覆盖也是一个重要因素。

二、我国玉米未来发展趋势

玉米仍将保持粮食稳产增产主力军和第一大作物地位。由于畜牧养殖业发展对饲料的刚性需求和工业加工需求的增长,我国年需求玉米量在2.2亿吨以上,并呈进一步增长态势,这就需要我国籽粒玉米种植面积保持在5.5亿亩左右,最低不能够少于5亿亩,亩产保持在公斤以上;同时鲜食玉米和青贮玉米也会根据市场需求得到进一步发展,呈增长趋势。鲜食玉米保持在约0万亩,未来对青贮玉米的需求潜力或可达1亿亩,但需要有一个逐步发展的过程,不宜盲目扩种,并应以粮饲通用型或粮饲兼用型品种为主。多抗广适、高产稳产型品种仍将是生产和市场最为需求的。突破籽粒机收技术瓶颈,实施全程机械化是发展方向。节本增效,提质增效,提高玉米生产的综合效益和市场竞争力,是玉米生产和产业最需要坚持的。节水节肥的资源高效利用和减少农药使用的绿色生产技术将在玉米生产上得到进一步大力发展。转基因和基因编辑技术应在玉米上首先实现产业化。信息化和智能装备在玉米生产上得到进一步应用。

三、我国玉米发展的对策

根据我国玉米产业发展现状、未来发展趋势和所面临的机遇,我国玉米发展应采取如下对策:1、进一步优化区域布局和品种结构保持和进一步优化我国玉米生产已经形成的“四区两专”格局,就是四大优势产区:东北春玉米区、黄淮海夏玉米区、西南山地玉米区、西北灌溉玉米区;两专即专用青贮玉米和鲜食玉米。充分发挥自然禀赋,实施绿色增产发展模式。保持籽粒玉米5.0?5.5亿亩之间,最低不能够低于5.0亿亩,以基本保障保持我国玉米的市场需求。2、以节本增效、提质增效、提高综合效益和市场竞争力为主线,创新选育优良品种,集成推广适用配套技术1)选育多抗广适、高产稳产品种。为玉米的高产稳产,稳定供给提供保障2)集成推广全程机械化技术,可以大幅度提高生产效率,降低人工成本。3)选育抗旱节水、耐瘠薄高肥效品种,提高资源高效利用,同时提高秸秆还田的比率。3、提高种业创新能力和提升种子的科技含量1)挖掘抗病虫性状,选育抗病、抗虫品种,减少农药使用和农药残留2)资源高效利用,提高对水、肥等资源的高效利用3)提高种子发芽率和种子活力。提高大田生产的整齐度和一致性。4)加强种子真实性检测鉴定,提高对品种知识产权的保护。

四、年国内外玉米研究主要进展

1、我国科学家在玉米雄性不育技术领域取得重要进展1)第三代杂交育种技术?玉米多控不育技术领域取得重要进展玉米雄性不育应用于玉米杂交育种和制种中,可以免除人工或机械去雄、降低制种成本、提高制种纯度和产量,具有非常重要的应用前景。然而,目前玉米雄性不育基因的克隆与功能研究还很有限。年,先锋公司采用转基因方法成功解决了玉米雄性核不育自然保持难题,开发出玉米雄性核不育制种(SPT)技术。在杂合恢复系导入一个与可育基因紧密连锁、与不育基因不连锁的致死基因,产生1∶1可育和不育两种花粉,自交后代一半为不育系、另一半为保持系,再利用常规育种将一个红色果皮带荧光基因与可育基因紧密连锁,即保持系籽粒为红果皮带荧光,不育系为普通黄色,可通过色选机将不育系籽粒与保持系完全分开,生产纯合的不育系。该技术既可免除人工或机械去雄程序,又克服了细胞质雄性不育受叶斑病害、育性恢复等缺陷困扰,制种成本和风险大幅降低,制种质量显著提高。年,北京科技大学万向元教授团队与北京市农林科学院赵久然研究员团队合作,通过系统的遗传学、细胞学、分子生物学等技术途径,对玉米隐性核不育基因ms7及其恢复基因ZmMs7进行了图位克隆,结果显示ZmMs7基因编码一个PHD?Finger转录因子,对调节玉米雄性发育起关键作用。同时,将转基因技术、花粉灭活技术、荧光种子技术、除草剂筛选技术与常规育种技术相结合,成功地创建了玉米多控不育技术体系。其技术体系原理是通过构建含有5个功能元件(1个育性恢复基因ZmMs7、2个花粉自我降解基因ZmAA和Dam、1个红色荧光基因DsRed2或mCherry和1个抗除草剂基因Bar)的表达载体,转化玉米获得中间材料,然后通过回交转育将含有上述5个元件的T?DNA区段导入进玉米隐性核不育材料ms7中,并进一步与不同遗传背景的玉米骨干自交系结合,从而创造出比国外同类技术(SPT)更安全、更稳定的多控不育保持系和多控不育系。该研究首次报道了玉米隐性核不育基因ZmMs7的图位克隆和功能研究,为玉米雄花发育的分子机理研究提供了重要线索;同时,首次提出了作物多控不育技术系统(Multi?ControlSterilitySystem)的概念,利用该技术体系生产的玉米不育系和杂交种都不含任何转基因成分,可规避转基因对食品安全的困扰。该研究利用ZmMs7基因及其突变体(ms7ms7)成功创建了玉米多控不育技术体系,在玉米不育系创制与杂交种生产上具有重要应用价值。2)新型CMS?S型不育系的应用北京市农林科学院玉米研究中心以CMS?S型不育系MD32为胞质不育基因供体,经过回交转育和分子标记辅助选择,获得了花粉彻底败育的S型不育系京。研究发现,在S型京回交转育过程中,存在部分穗行花粉败育不彻底。利用育性不稳定株的近等基因系群体(BC4F1),通过基因定位和花粉差异表达基因的功能分析,在第2条染色的短臂上锁定了6个与CMS?S育性稳定性相关的候选基因。亚细胞定位预测,发现GRM?和GRM?编码蛋白靶向线粒体,推测可能参与了对细胞质不育基因表达的调控过程。根据候选基因开发SNP标记,在分离群体各选取50个单株进行验证,结果发现与表型共分离。目前,S型不育系京已成功地应用于京科的不育化制种,并获得7项相关发明专利。开发的共分离标记用于S型京回交转育过程中的辅助选择,减小了由于不育系中恢复株花粉污染,带来制种成本增加和制种种子不纯的问题。京科的不育化年制种面积已达2万亩以上,生产杂交种子万公斤以上,极大地推动了我国玉米主推品种的S型细胞质雄性不育化制种进程。?2、中国科学家首创玉米EMS诱变突变体库玉米是全球种植范围最广、产量最大的谷类作物,其显著的高产性能和功能的多样性特征在促进国民经济发展和国家的粮食生产中占有重要地位。同时,玉米也是遗传学研究的重要模式物种。中国农业科学院生物技术研究所张春义团队、北京市农林科学院玉米研究中心赵久然团队、齐鲁师范学院玉米功能基因组路小铎团队共同合作完成了首个玉米EMS突变库的开发和测序。该研究通过乙基甲酸盐(EMS)处理B73获得玉米突变体,并通过结合外显子捕获技术和新一代测序技术来检测全部的突变位点在基因中的位置,分析这些位点对基因造成的影响,从而得到了大规模的玉米的突变体库。该研究共完成了个M1突变株的测序,并鉴定出,个启动子及终止子的获得或丢失、错误拼接、各种非同义的蛋白质突变等由CG变为TA的点突变,这些突变类型都是能潜在的导致蛋白发生变化的突变。平均每个突变株有个突变位点,分布在32,个基因上,覆盖了82%的玉米基因组中可预测的蛋白质编码基因,平均每个基因就含有6.1个这种能导致基因编码的蛋白发生改变的突变位点。有多达个突变位点,分布在个基因的起始密码子、终止密码子的突变或错误拼接位置,这些类型的突变一定能导致基因编码蛋白的功能的丧失。利用该突变体库,研究人员还开发了结合正向遗传学和反向遗传学,快速的、低成本的鉴定基因功能的新方法,并通过鉴定在赤霉素的生物合成途径中编码内根?贝壳杉烯合成酶这种关键酶的基因作为实例,证明了该方法的可靠性,从而验证了该突变体库的实用性。研究团队构建了突变体库的网站,提供了查询功能(网址为:







































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