生物育种基因芯片，破解种子“卡脖子”难题

导语 

        一粒种子牵动着14亿人的“饭碗”，中国的饭碗要盛中国的粮，这是国之大事。打好种子保卫战，解决种子“卡脖子”难题，发展生物育种是关键；它既是国家战略，也关乎每个人的健康生活。

        种子“卡脖子”，并非“卡”在种子的量，而是“卡”在种子的质；卡在缺乏高产优质的品牌品种，杂交品种高产不优质，地方品种优质不高产；卡在缺乏培育品牌品种的生物育种技术，将既高产又优质的性状协调统一起来、聚合在品牌品种里。如果对决定优良性状的功能基因挖掘不足，就很难将种子更加精准地按照生产和消费所需去设计和培育。

        研发培育品牌品种的生物育种基因芯片既是农业生产的难题，也是农业科技的难题，还是培育现代品牌农业的难题，更是未来中国农业能否更具国际竞争力的难题。

        武汉双绿源创芯科技研究院有限公司（简称“双绿源”），这家在英雄的城市诞生并成长起来的高新技术企业，始终专注于作物功能基因组科技成果的开发、应用与产业转化。创业仅3年，就已联合华中农业大学张启发院士团队、傅廷栋院士团队共同研制出水稻、油菜等系列生物育种基因芯片，它们将成为破解这道难题的“神兵利器”。

        国家现代农业与食品前沿产业技术创新战略联盟副理事长、双绿源董事长、生物育种基因芯片的核心设计者周发松博士，也因此入选武汉市“黄鹤英才战略科技人才”。周发松以及他带领的团队是武汉市在生物育种创新研发领域敢于立志、勇于开拓的缩影与代表之一。

精准高效鉴定种质的功能基因

        基因是决定生命遗传的最基本因子，而基因组则是一个生物种群所有基因的总和。一个基因组的遗传信息由几亿甚至上百亿的遗传密码书写，A、T、C、G四种碱基就是书写遗传信息的基本字符。它们按照一定的规则在基因组上顺序排定各自的位置，相邻一组碱基（从几十个到几万个不等）组合在一起决定一个遗传功能（编码蛋白质或者调控遗传表达），代表一个功能基因。

        在基因的密码未破解前，没人能读懂它们的故事。随着生物技术特别是基因测序技术的快速发展，科学家们破解了水稻、玉米、油菜、高粱等全基因组序列，特别是我国的水稻功能基因组学的基础研究，已经处于世界领先水平，这为生物的遗传改良插上“隐形的翅膀”。

        双绿源的生物育种基因芯片就是充分利用国际前沿的功能基因组研究成果，挖掘水稻、油菜里海量的全基因组序列，在几百万个遗传标记中筛选出与抗病、抗虫、抗旱、高肥效、优质、高产等密切相关的分子标记，经过反复研究和验证决选出有代表性的、能够精准检测的单碱基多态性（SNP）标记，设计成检测探针，并且利用国际上最尖端的分子标记检测技术和设备研制而成。

        与电子芯片不同，基因芯片是一款高通量的分子标记检测工具。它是布局在一张长8厘米、宽2.5厘米、厚度不到0.2厘米的玻璃薄片上的微珠阵列，每个微珠直径两微米，均匀而随机地分布于芯片上排列整齐的24个玻璃小方块上。

        每个微珠上都携带有一个基因的DNA单链探针，研究人员将待检测品种的DNA抽提出来，与芯片上的探针进行杂交配对，并根据配对后发出的光信号值来帮助育种家轻松分辨出待检测基因的功能，“抗病的、感病的”、“抗虫的、不抗虫的”、“抗旱的，不抗旱的”、“优质的、劣质的”……这些过去在传统育种中无法通过肉眼来观察的基因将“一目了然”。

聚合优良性状，培育品牌品种

        能够“看见”并筛选出优良基因，就为聚合优良基因、培育优质品牌品种、实现品牌品种的持续升级提供了可靠的生物高科技手段，这也正是解决“卡脖子”难题的痛点和难点。

        因为品种是有生命周期的，生产种植几年之后的品种会发生退化，产量下降，品质变差，因此科研人员需要对品牌品种进行定期的改良提升，正如我们熟悉的手机一样，在保证主要功能特性不变的前提下，进行迭代升级。

以水稻育种为例，传统育种通常采用杂交方法，将父本母本各自五万多个基因组合在一起，实现性状的自由分离组合，育种家通过观察株高、穗长、籽粒大小、颜色等“看得见”的田间表现性状，在成千上万的“子孙后代”里挑出综合了最多父母亲优点的植株，让其不断繁殖，并逐渐成长为一个好品种。

        因此传统的品种选育过程更多是由“表”及“里”的观察推测，周期长，尽管后来辅之以分子标记检测作为指导，但仅能实现少数功能基因的直接鉴定选择。

        而且新选育的品种与老品种之间缺乏传承性，利用生物育种基因芯片，可以固定品牌品种的遗传背景，也就是保留品牌品种原有优点，针对其缺点定向选择决定其优良性状的功能基因，实现品牌品种的升级改良，从而保证品牌品种的商业价值。

        双绿源以国际领先的基因芯片育种科技为核心，在全基因组水平上实现产量、抗病、抗虫、优质、抗逆境等单个性状的优化和多个特优性状的集成，打破现有品种“高产不优质”、“优质不高产”的魔咒，实现定向改良或培育好吃、安全、富有特殊营养和功效的品牌品种。

打造品种唯一“DNA身份证"

        简单而言，生育基因育种芯片上高质量的分子标记检测的是作物基因组上特定“位置”的代表性“关键遗传信息”，它们就好比遗传天书里的“关键句子”。

        不同的是，这些句子是由A、T、C、G书写而成，基因芯片将这些“关键句子”作了“重点标注”、“关联阅读”和“意义理解”，基本上就能帮助我们很快掌握一个作物品种的全部遗传信息和关键的特征特性，即基因指纹。有了基因指纹，我们就能为品种建立独特且唯一的“DNA身份证”。

        目前农业面临着资源短缺、环境污染、食品安全、农业生产成本高等现实问题，解决的方案除了用生物育种技术培育绿色种子以外，还需要通过绿色种植的方式，实现品牌化。

        双绿源以基因指纹技术为核心，为农产品建立一套安全可追溯系统。以生物育种基因芯片技术为基础，为每个农产品赋予唯一的基因指纹和基因编码身份信息。

        通过基因指纹和编码身份信息可以查询农产品的品种信息、品质信息、产地信息、生产信息、物流信息等。为政府食品安全监管、产业布局规划和市场调控提供数据支撑；为品牌农产品企业提供信用背书，提高品牌价值；为消费者提供品牌农产品溯源信息，让大家可以购买放心安全的农产品，明明白白消费，真正做到用科学定义品牌。同时，也为加强品种知识产权保护，促进育种过程中产生的中间材料的商业化交易，规范市场行为奠定坚实的基础。

植物全生育期智能育种工厂

        植物全生育期育种工厂是在植物生长设备的基础上，专门针对育种研究而设计的一种以室内植物全生育期培育为目的的育种智能装备。

育种工厂一般面积在10-30平米左右，由可以给植物提供合适生长环境的系统设备集成，可实时对植物工厂的温度、湿度、光照、气流、二氧化碳浓度等环境要素进行自动监控，实现智能化管理，克服环境因素对作物生长的制约，实现一年多季室内生长。

        仍然以水稻为例，自然环境下一般种植两季，其中一季需要到海南加代。在育种工厂内则可一年生长4-6季，这大大缩短了育种周期，并且极大地改善了育种家的工作环境。目前，双绿源研制的植物全生育期智能育种工厂可广泛应用于水稻、油菜、大豆、玉米、番茄、小麦等多种作物。

        植物全生育期智能育种工厂作为现代化育种装备，与生物育种基因芯片结合使用，能够发挥出两者最大的效益。育种工厂解决加代繁殖问题，基因芯片能够在幼苗期准确筛选出所需要的理想单株，淘汰95%以上非理想单株，而不必等到育种群体都成熟后再通过性状观察进行评价筛选。既节省了空间和人力，又大大提升育种效率，开创了数字化育种新时代。