圖① Pan800K小麥基因組變異位點物理圖譜。

圖② 河南農(nóng)業(yè)大學培育的西瓜新品種“無杈彩虹1號”。

圖③ 康相濤院士帶領團隊進行實驗。

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陳鋒在小麥試驗田察看苗情。本版圖片均為受訪者供圖

□本報記者 樊雪婧 實習生 劉羽翀

種子是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“芯片”。

習近平總書記在海南考察時指出：“中國人的飯碗要牢牢端在自己手中，就必須把種子牢牢攥在自己手里?！?/p>

育種進程中，基因起著決定性的作用。而掌握基因，并非易事。科學家們一直希望能像“查字典”一樣快速定位控制重要性狀的基因，基因芯片便應運而生。利用已知序列的DNA片段定位目標基因，通過片段中的探針檢測出哪個部分發(fā)生了變異，進而在“字典”中對該變異進行篩選。

小小芯片，連著的是“國之大者”。從靠天吃飯到科學定制，從經(jīng)驗育種到精準設計，基因芯片技術正在重塑育種的未來。今天，和記者一起探訪農(nóng)業(yè)“芯片”的破譯之路吧。

西瓜有了“基因身份證”

盛夏，正是西瓜成熟的季節(jié)。8月5日，在河南農(nóng)業(yè)大學瓜類種植基地，一處吊蔓西瓜種植區(qū)里綠意盎然。少了旁逸斜出的散亂枝芽，瓜蔓整齊地向上伸展，看上去十分舒朗整潔。

“它叫‘無杈彩虹1號’?！焙幽限r(nóng)業(yè)大學園藝學院教授楊路明笑著告訴記者。

外表看與普通西瓜無二致，名字卻點明了其獨特性：側枝少、瓜瓤紅黃相間、種植省力省工。

“正常西瓜植株每個節(jié)間都會生長側枝和卷須，生產(chǎn)中需要頻繁整枝打杈，這項人工成本占據(jù)種植成本的三至五成，這也是導致近年來我國西瓜種植比較效益下降的一個重要原因?！彼榻B，“無杈彩虹1號”則在遺傳上具備了少發(fā)側枝的特性，目前市場上還沒有這樣的品種。

這是怎么做到的？“核心在于我們自主研發(fā)的西瓜基因組液相芯片和精細定位的具有完全自主知識產(chǎn)權的少側枝基因。今年6月，這個芯片剛剛簽約轉化。”他邊說邊拿出一個手指大小的透明管，里面的無色液體便是液相芯片的核心組分。

小小一管，蘊藏著巨大能量——它集成了超過1萬個西瓜基因組關鍵位點的檢測探針。這如同為西瓜基因打造了一張專屬“身份證”，能夠精準高效地對西瓜種質資源進行基因型鑒定，在群體遺傳結構解析、重要性狀基因定位、種質親緣關系鑒定、種子純度檢測及分子標記輔助育種等多個領域具有重要應用價值。

正是利用芯片，研究團隊得以對西瓜骨干親本進行精準定向改良，把早熟、少側枝、高品質等優(yōu)異性狀快速聚合，以科技創(chuàng)新突破種植瓶頸。目前，該品種已在河南、云南等多地開展區(qū)域試驗，反饋良好。

探尋控制這些優(yōu)異性狀的基因之路并非坦途。

“在兩三年內成功解析一個關鍵基因已屬不易，有的研究周期甚至可能長達10余年?！睏盥访鹘榻B，西瓜基因組包含超過２萬個基因，但功能研究明確的基因尚不足百個。目前，實驗室精細定位了控制株型、品質等重要農(nóng)藝性狀的重要基因20余個。

“我國是全球西瓜生產(chǎn)與消費第一大國，河南西瓜種植面積和產(chǎn)量均居全國首位。但當前西瓜育種仍面臨一些關鍵技術瓶頸，例如分子育種技術應用相對滯后、具有自主知識產(chǎn)權的優(yōu)異基因資源挖掘不足等?！彼赋?，傳統(tǒng)西瓜育種更像開盲盒，充滿了隨機性。有了芯片，育種人員能夠精準選擇目標基因型進行聚合，育種過程變得定向、高效。他給記者算了一筆賬，傳統(tǒng)育種通常需要4~5年甚至更長時間，借助分子標記輔助選擇，只需2~3年，育種周期縮短了一半。

西瓜育種效率飛躍，風味、輕簡化栽培等關鍵性狀也得以精準優(yōu)化，這讓夏日里的“解暑快樂”，有了更硬核的科學支撐。

小麥育種開啟“智慧導航”

小麥，有多少個基因？答案是20萬個。

“小麥的基因組像本沒目錄的百科全書，想要找有用基因就得一頁頁翻?！焙幽限r(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院副院長陳鋒打了個比方，“小麥芯片就像給這本書加了精準索引，想找啥基因，一查就行?！?/p>

陳鋒口中的小麥芯片，名叫Pan800K超高密度基因芯片，是目前全球涵蓋群體遺傳及功能基因信息最多的小麥芯片。

“我們收集了全球超過3000份有代表性的小麥種質資源數(shù)據(jù)進行泛變異組設計而成，前前后后花了四五年，設計了80萬個位點，又額外安插了5萬個輔助位點，滿足功能基因位點覆蓋的同時保證了基因組分布的均一性?！彼貞浀溃磸蜏y試優(yōu)化，就像打磨一件寶貝。

2024年11月，基于小麥超高密度基因芯片WheatPan800K的智慧基因挖掘和育種選擇系統(tǒng)簽約轉讓，協(xié)議金額高達1500萬元。

價值千萬的小麥芯片，里面裝著什么？陳鋒道出了秘密：芯片涵蓋中國、美國、德國等全球20多個小麥主要生產(chǎn)國及目前已經(jīng)報道的重要基因功能位點，包含超過18萬個基因區(qū)段的SNP和InDel信息以及5萬個基因間區(qū)的多態(tài)性信息。

“高密度基因芯片就像一臺高效的‘基因雷達’，幫科研人員快速定位與產(chǎn)量、品質、抗病性等相關的基因。”陳鋒說，你可以把它理解為一種小麥基因檢測工具，像給小麥做基因“CT掃描”一般，材料中有哪段基因，一目了然。

在他看來，研發(fā)芯片主要想解決兩個大問題。一個是基礎創(chuàng)新研究，挖掘更多功能基因；另一個就是育種應用，用芯片智慧育種?！皬氖滦←溁A研究的人員越多，功能基因挖掘的數(shù)量越多，能夠聚合基因的數(shù)量越多，育種中控制性狀的穩(wěn)定性越強，基因芯片的作用由此會越來越強大?！?/p>

比如，一個主栽小麥品種，高產(chǎn)卻不抗病。利用芯片技術將抗病基因快速導入到該品種中，通過1~2年時間就能快速實現(xiàn)精準改良。但這要在以前，可能需要長達8~10年的時間。

河南作為全國小麥主產(chǎn)區(qū)，要扛穩(wěn)糧食安全重任，做強小麥芯片至關重要。

快速高效挖掘基因，快速分析與選擇優(yōu)異材料，就像為育種工作者進行品種選育開啟了智慧導航，從大規(guī)模多樣化的育種群體中海選出最優(yōu)秀的潛力材料，變得高效且精準，改變了過去靠人工測量、靠種植觀測的局面。

“以后芯片會更厲害。隨著大量功能基因的挖掘，我們希望未來育種時，品種存在什么缺陷以及期望擁有什么屬性，能夠依據(jù)芯片結果找到供體材料進行快速精準改良?！彼蛴浾哒故玖藞F隊新培育的優(yōu)質富鋅品種豫農(nóng)268和強筋一級品種豫農(nóng)269?！艾F(xiàn)在隨著生活水平的提高，人們想要吃飽，更想要吃好。鋅是人體必需的微量元素，對提升免疫功能、促進兒童生長發(fā)育等有重要作用。我們利用基因芯片，培育出了富鋅小麥品種，目前已經(jīng)通過省審，正在加速走向人們的餐桌?！?/p>

陳鋒眼中滿是光芒：“我們會繼續(xù)大規(guī)模地篩選重要功能基因的優(yōu)異單位型，比如針對小麥品質、抗病等重要調控基因，將其優(yōu)勢單倍型引入芯片，不斷擴充芯片容量進行動態(tài)更新，為小麥育種提供更強支撐。”

雞芯片助力土雞變身金鳳凰

在河南三高農(nóng)牧股份有限公司的養(yǎng)殖場里，工作人員正在對剛剛出生的小雞進行采血，而后利用“神農(nóng)1號”地方雞基因組液相芯片試劑盒進行基因檢測。利用小雞一滴血就能精準預測雞只的產(chǎn)蛋量。以前，想要知道這個結果，則需要將小雞飼養(yǎng)到43周，再進行產(chǎn)蛋性能的確定。

為什么這么高效？

“我們在‘神農(nóng)1號’芯片的功能位點模塊中，融合了我們團隊最近研究成果，迭代升級了一個專門用于產(chǎn)蛋性能檢測的功能模塊?！焙幽限r(nóng)業(yè)大學動物科技學院教授、康相濤院士團隊核心成員田亞東告訴記者，將一個產(chǎn)蛋性能未知的個體進行芯片檢測，得到這個個體的每一個芯片位點對應的基因型信息。芯片上每一個位點意味著對育種的貢獻值，通過未知個體基因型信息的組合，便能看出其是否具備高產(chǎn)性能。

2023年，基于前期雞泛基因組研究成果與公共數(shù)據(jù)，河南農(nóng)業(yè)大學教授、中國工程院院士康相濤及其團隊成功研發(fā)了適用于我國地方雞基因組系列液相芯片“神農(nóng)1號”。這是我國首款地方雞專用基因芯片，填補了國內該領域的空白。

“種子是農(nóng)作物的芯片，那么地方雞種質資源就是家禽種業(yè)的芯片。地方雞種質資源的保護是畜禽育種的基礎，以地方優(yōu)良畜禽資源加上國內外優(yōu)異的種質資源，就像廚師做菜一樣——有了好料，才能烹飪出更好的菜?！痹诳迪酀磥?，種質資源就是育種創(chuàng)新的關鍵。

長期以來，我國地方雞品種資源豐富，蘊藏著寶貴的遺傳基因寶庫。然而，由于缺乏有效的鑒定和評價手段，這些珍貴的資源難以得到充分的保護和利用。傳統(tǒng)的家禽育種方法主要依賴于表型選擇，效率低、周期長，難以滿足現(xiàn)代畜牧業(yè)快速發(fā)展的需求。

“它不僅能夠快速、準確地檢測出與重要經(jīng)濟性狀相關的基因，比如，生長、繁殖、屠體等，用于地方雞品種的快速精準鑒定、遺傳多樣性分析和分子標記輔助選擇，從而加速優(yōu)良品種的培育進程?！碧飦問|介紹，“芯片還可以用于地方雞品種資源的保護和開發(fā)利用，例如，建立地方雞品種的基因庫，篩選具有特殊價值的基因資源，開發(fā)新的地方雞品種等?！?/p>

“神農(nóng)1號”基因芯片載著新希望而來。小小芯片，搭建起地方雞種質資源鑒定、精準評價、保護與開發(fā)利用的高效技術平臺，讓地方雞變身為金鳳凰。

名詞解釋

不同于計算機芯片，農(nóng)業(yè)“芯片”其實是基因芯片技術。其基本原理是利用同源DNA分子雜交的特性，將大量的DNA探針固定于“芯片”，然后與待測樣品的DNA進行雜交。通過檢測雜交信號的強弱，就可以判斷待測樣品中是否存在特定的基因序列。這種技術具有高通量、高靈敏度、高特異性等優(yōu)點，已廣泛應用于基因表達分析、基因突變檢測、基因分型等領域。