(作者：王强  来源：人民日报新媒体平台“人民号”)

——记北京科技大学生物农业研究院院长 万向元

“强国必先强农,农强方能国强”。种子是农业的“芯片”,生物种业是国家战略性基础性核心产业。国家高度重视粮食安全问题,强调中国人的饭碗要牢牢端在自己手里,中国碗装中国粮。2024年中央一号文件强调,加大种源关键核心技术攻关,加快选育推广生产急需的自主优良品种;同时,推动生物育种产业化扩面提速。

科研攻关玉米不育化杂交制种 推动协同创新

玉米在我国种植面积和总产量均居第一位,对保障国家粮食安全至关重要。相对于美国等发达国家,我国玉米平均单产较低,制种依赖人工去雄,制种成本高、种子纯度较低。利用生物技术发展玉米新型雄性不育技术体系,创制稳定可用的雄性不育系,并用于不育化杂交制种,实现节本增效,是玉米种业发展的迫切需求。基于此,北京科技大学生物农业研究院院长、二级教授万向元带领团队经过十五年的攻关研究,在玉米雄性不育基因克隆及机制解析等基础理论研究和不育化制种技术研发等方面,取得了一系列重要创新成果,大大提高了我国玉米雄性发育生物学的国际影响力,助力种业新质生产力加快形成,促进我国种业科技高水平自立自强,服务国家粮食安全和乡村全面振兴。

万向元2005年博士毕业于南京农业大学,打下了扎实的作物遗传育种理论基础。2005至2009年,先后在清华大学生物科学与技术系和美国康奈尔大学BTI植物研究所开展作物蛋白质组学和发育生物学博士后研究,进一步提升了自己的科技创新能力和国际化视野。留学归国后,先后任北大未名集团国家作物分子设计工程技术研究中心研究员、主要农作物种质创新国家重点实验室主任等职,主要开展水稻和玉米智能不育制种技术研究。2016年,入选国家万人计划科技创新领军人才,带领核心团队全职加入北京科技大学,创建了生物农业研究院;2021年底入选教育部长江学者特岗教授,围绕国家粮食安全等重大战略需求,以玉米等主要农作物为研究对象,开展国际前沿理论和技术研究,打造生物农业研究和人才培养的高地。

万向元指导学生

为提高作物育性与生殖发育领域整体科研绩效,万向元多年来积极致力于推动同行学术交流和协同创新。在牵头实施国家主体科技计划项目,推动作物种业核心技术攻关,促进新技术、新品种转化应用的过程中,打破单位界限、实现强强联合;同时,积极搭建联合攻关平台与长效机制,先后推动国家农业生物技术产业技术创新战略联盟等协同创新平台成立,发起全国作物杂种优势与生物育种学术大学,逐渐凝聚起一支有效服务国家种业强国建设的队伍。

第一届全国作物杂种优势与生物育种学术大会(2024年7月2日,新疆伊宁)

科研成果转化 实现论文专利落地应用

目前,在国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、国家生物育种专项、北京市科技计划等科研项目的资助下,万向元带领团队创建了两套国际领先的玉米新型工程化不育制种技术体系:多控不育和显性不育技术。两套技术共同点是综合利用植物基因工程、分子设计育种和荧光筛选标记等前沿技术建立。不同点是,玉米多控不育智能保持系含有转基因元件,但其最终产品--不育系和杂交种中不含有转基因元件,该技术优势在于转基因保持系中含有2个花粉失活基因,转基因花粉的漂移率更低,比国际同类的玉米SPT技术更加安全高效。而玉米显性不育技术是基于分子设计构建显性不育载体,并串联一个荧光筛选标记功能模块,转化玉米获得转基因显性核不育系,该技术的优势是不受玉米受体基因型限制,可以从无到有、高效创制不同遗传背景的玉米显性核不育系。显性核不育系用于玉米不育化制种,杂交F1代可分离出50%显性不育杂交种和50%可育杂交种,混合种植后具有显著的增产效应。相关研究成果已在PNAS、Nature Communications、Molecular Plant、Plant Biotechnology Journal等植物领域国际主流期刊发表研究论文50余篇,包括IF大于10的高水平论文23篇,15篇ESI高被引论文,6篇封面论文,3篇中国科协优秀论文,授权国家发明专利30余项。

相关工作实现了材料、理论和技术三位一体同步创新。一是材料创新。创建生物信息学+基因编辑的玉米核雄性不育突变体精准快速创制技术,创制了近300个玉米雄性不育突变体,构建了国际上单个实验室最大的雄性不育突变体库,为开展玉米雄性不育理论研究和技术开发奠定了材料基础。二是理论创新。团队已克隆鉴定玉米雄性不育基因41个,并解析其功能机制,占国际报道的玉米核不育基因总数的70%以上,有力推动了玉米雄性不育生物学的理论研究。三是技术创新。基于不依赖受体基因型的玉米遗传转化体系,通过多控不育与基因编辑技术融合,建立“一步法”创制常规骨干系背景的多控不育系和保持系的技术。经中国农学会组织胡培松院士、张献龙院士等专家组鉴定,玉米多控不育和显性不育技术创新成果整体处于国际领先水平。相关研究成果先后获得北京市科学技术奖技术发明一等奖、中国专利银奖、大北农科技奖、中国科协“科创中国”先导技术、北京科技大学十大学术进展等科研奖励10余项。

玉米雄性不育技术原理

2023年,我国玉米杂交制种面积高达462万亩,主要依靠人工去雄,存在着制种成本高、制种纯度和产量偏低等突出问题。基于细胞质雄性不育的“三系法”制种技术,由于胞质不育系育性不稳定、单一胞质易受专化病原小种感染等问题,在玉米杂交制种中应用十分有限。近年来,玉米新型工程核不育制种技术发展势头良好,由于其育性遗传稳定、不受光温等环境条件影响,具有巨大的产业化应用潜力。玉米多控不育杂交制种技术2024年已经在新疆伊犁实现160亩的小面积示范应用,缓解当地劳动力短缺问题、降低制种成本,应用前景广阔。

新疆伊宁不育化制种示范(2024年8月)

通过不育化制种技术的推广应用,可有效免除人工去雄环节,节约大量劳动力成本,同时提高玉米育种效率、提高制种纯度和大田生产产量,实现制种产业由“劳动密集型”向“技术密集型”的升级,促进玉米品种更新换代和产业提质增效。同时,玉米智能不育化制种技术有利于保护新品种亲本(母本不育系)的知识产权,鼓励玉米种质原始创新,提升我国玉米种业的国际竞争力,保障国家粮食安全。

团队成员在试验田合影(2023年8月新疆伊宁)

教研结合育新才 循序渐进百花开

围绕玉米不育化制种关键问题,万向元带领团队针对玉米高效转基因、基因编辑和不育系创制等“卡脖子”技术进行集中攻关,服务我国玉米重要功能基因研究和自交系快速改良;支撑我国玉米形成行业性联合攻关体系,服务杂交制种产业升级,有效提升我国玉米种业竞争力。

在开展不育化制种等工作中,万向元团队逐渐形成“工科思维解决农业问题”的模式,即破除传统农业观念,把工业领域的工程化技术、解决方案、组织方式等引入农业领域科研、教学、实践全过程,提高农业的集约化、标准化、规模化、专业化,从而提高农业全要素生产率,实现农民增产增收、产业转型升级。特别是依托于学校的工科优势,积极与智能科学与技术学院、计算机与通信工程学院、机械工程学院开展合作,通过合作科研项目和科研平台联合培养学生,推动北京科技大学作为传统工科院校实现农业教研领域从0到1的突破。

万向元始终把团队建设作为一项重要任务。2016年以来,带领团队从最初的4人发展至目前师生130余人,并被认定为国家创新人才推进计划重点领域创新团队、北京市拔尖团队、山东省泰山学者种业创新团队;同时,充分发挥头雁效应,培养万人计划领军人才1人、省部级人才16人/次。打造“灯不熄”团队文化,提高团队的战斗力、向心力和可持续发展能力,通过引才育才,建立起一支心怀农业、扎根农业、服务农业的高水平教研队。

团队部分人员合影

主导建设形式多样、基础扎实的产科教融合平台,包括国家粮食产业(全谷物)技术创新中心、农业大健康国家级星创天地、北京中智生物农业国际研究院、北京市重点实验室、北京市工程实验室、北京市国际科技合作基地、中关村开放实验室、北京科技大学平谷生物农业研究院等8个基于校际、校地和校企合作的国家和省部级科研平台;在全国三大玉米主产区建设10个作物育种试验站,并针对当地产业发展瓶颈问题配套建设10个科技小院,以高质量“新农科”建设推动教育科技人才一体化发展。