基因工程拯救“棉花王國”

李付廣在做實驗

　　最近十幾年來，我國無論是原棉生產、原棉消費、原棉進口和出口都是世界第一，棉花是我國重要的經濟作物，也是我國的戰略物資。

　　曾經的一場由棉鈴蟲掀起的“大風暴”席卷了我國大部分的棉區，帶來的危害讓人們束手無策，而國產轉基因抗蟲棉的研發，為棉花種植業注入了“強力針”。近日，中國農科院2016年第4期“農科講壇”在北京舉行，會上，中國農科院棉花研究所所長、棉花抗逆遺傳改良創新團隊首席科學家李付廣研究員講述了棉花基因工程遺傳改良研究進展。

　　30年來，李付廣帶領研究團隊，根據我國棉花生產對轉抗蟲基因棉花新品種的重大需求，圍繞棉花組織培養的分化性狀的遺傳基礎這一關鍵科學問題進行了大量探索研究，并取得重要進展，解決了我國棉花生產中的重大科學難題。

　　植棉不再輕松

　　建國以來，我國植棉面積在大起大落中保持相對穩定，年平均種植面積越來越大。我國棉花總產也是在波動中持續上升，2015年比1949年增長12.8倍，年均增長率為3.93%；棉花單產不斷提高，2015年比1949年提高了8.2倍，年均增長率為3.41%。

　　“我國棉花單產高于全球平均水平的92%。”李付廣表示，這是我國整個棉花產業的基本情況。

　　但是，棉花產業卻面臨著諸多問題。

　　排在第一位的就是棉鈴蟲危害難題，這也是李付廣的研究方向。1992年在黃河流域地區暴發了棉鈴蟲的災害。

　　為控制棉鈴蟲的危害，在棉花生長季節，棉農噴施農藥的次數超過20次，不僅增加了生產成本和勞動強度，還嚴重破壞了生態環境，損害了棉農的身心健康。據不完全統計，1992～1996年因防治棉鈴蟲而中毒的人數超過24萬人次，棉鈴蟲危害猖獗，給國家造成上百億元的經濟損失。

　　據李付廣介紹，當時國外培育的轉基因抗蟲棉迅速搶占了國內市場，這對我國棉花科技工作者來說是一個嚴峻的挑戰。如何培育具有競爭力的國產轉基因抗蟲棉，并快速應用于棉花生產，是擺在我國科學家面前的難題。

　　第二個困難是盲蝽蟓。“轉基因抗蟲棉只能抗棉鈴蟲，并不能抗所有的。治了棉鈴蟲，盲蝽蟓便成了危害。”李付廣說，次要害蟲轉變成了主要害蟲。

　　“枯黃萎病的出現也成為了一個棘手的難題。枯黃萎病會嚴重影響產量。2003年在黃河流域棉區大面積暴發黃萎病，面積高達300～400公頃，減產幅度超過30%，個別地方能達到80%。”李付廣說。

　　此外，還有纖維品質不高、機械化采摘引起品質下降等許多問題。

　　李付廣認為，解決當前我國棉花發展面臨的困境，僅僅靠常規育種的方式很難實現，而借助于轉基因的方法是其重要手段之一，也是未來棉花科研攻關的重要方向。

　　數以百計的抗蟲棉新品種

　　多年來，李付廣的工作就是把實驗室和田地結合起來。他帶領的棉花抗逆遺傳改良創新團隊，根據我國棉花生產對轉抗蟲基因棉花新品種的重大需求作了許多努力。在轉基因平臺構建，候選基因功能驗證及轉基因種質創新等方面取得了重要進展。

　　“我們有效縮短了遺傳轉化周期，克服了轉基因苗移栽成活率低的技術瓶頸。”李付廣介紹，剛開始的時候，兩年能出苗，后來縮短成10個月到一年時間能夠出苗。

　　植物少不了根莖葉，一般情況下只要有根莖葉就可以移栽成活。但是為什么轉基因苗出來之后移栽不活呢？

　　研究團隊發現，再生植株的根看似正常根，實則為“假根”，主要是由表皮細胞經激素誘導而來，不能完成水分及養分的輸導功能，是造成大量死亡的根本原因。

　　隨后他們摸索出解決方法：讓苗直接在外部生根，最重要的是將嫁接技術成功應用于轉基因研究，成活率一下子提高到90%以上，僅僅這一技術專項，轉基因周期就縮短到60～90天。

　　“這兩項技術加起來，轉基因周期由10~12個月變成5~6個月。”李付廣說，這項成果于2005年獲得國家科技進步獎二等獎。

　　此外，研究團隊還在組織過程中揭示了棉花體細胞胚胎發生的細胞學特征，有效拓展了轉化受體材料的基因型。并且，他們還探明了體細胞分化的遺傳規律，創建了分化性狀純化的新方法。

　　“我們建立了16個品種（中棉所24、中394、中091、冀合321等）的轉化再生體系。”李付廣表示。

　　創制大量轉基因種質新材料，促進棉花基因工程育種和產業化進程也是該團隊一項重要的成果。“因為我們有規模化的轉基因體系，利用這個體系有大量的轉基因材料。”團隊利用轉基因平臺，共創制具有一定利用價值的各類轉基因種質2000多份。將865份遺傳穩定的種質材料上交國家中期庫，相當于我國棉花中期庫50年來收集、引進、保存材料的1/10。

　　據介紹，利用李付廣的團隊所建立的“棉花規模化轉基因技術體系”，培育出數以百計的抗蟲棉新品種，為促進國產抗蟲棉市場份額從占有率5%提高到96%以上作出了巨大的貢獻。

　　李付廣還以“中棉所41”抗蟲棉品種為例強調科研合作的重要性。該品種的育成是基因研發、高效轉基因技術、育種、推廣等不同環節專家共同合作的成果，是不同領域專家成功合作的典型范例，獲得2009年國家科技進步獎二等獎。

　　構建棉花研發體系

　　目前，中棉所系列抗蟲棉累計推廣面積超過1.3億畝，約占全國30%～35%，在國產抗蟲棉戰勝美國抗蟲棉的過程中發揮了主導和引領作用。

　　在李付廣看來，棉花產業未來的很多問題要靠轉基因的方法來解決，盡管不能全部解決，但是對棉花發展來說是一種方向。

　　可以說，國內的棉花研究已經成為了一個整體。棉花從基因轉化、種質創新、品種培育，到產業化的研發體系，都大大促進了基礎研究成果在棉花產業領域的應用。

　　在河北農業大學副校長馬峙英看來，李付廣的工作是緊密結合棉花生產，把引領創新作為主要思路。“這個團隊為國家生物技術，支撐我們國家棉花產業發展，乃至我們國家的棉花生物技術的領域躋身國際先進行列，作出了很好的貢獻。”

　　然而，李付廣指出，事實上棉花基因工程的遺傳改良之路還很遙遠。

　　“將來，棉花品質問題是重點，棉花要發展首先必須把‘優質’提上來，才能使我們的紡織業在國際上領先，高品質一定要有。”中國農科院生物技術研究所研究員郭三堆說。

　　針對下一階段的研究工作重點，李付廣說，要針對我國棉區結構調整的發展趨勢提前謀劃，圍繞高產和高效的目標，協同改良品質、株型等重要性狀。并且要基于全基因組水平，綜合運用基因組學、分子技術及獨創的大群體多逆境交叉選擇手段，結合傳統育種，提高育種效率。

　　“我們的目標就是解析纖維發育和株型調控的遺傳基礎，初步探明纖維品質與適宜株型的同步改良機理，挖掘優異的品種資源和基因資源，創制一批具有株型緊湊、高產穩產的優良棉花品種。”李付廣說。