国稻种芯功能性生物育种系统-何登骥·万祥军|外源基因导入技术平台

倡导功能性农业·农业大健康大会理念，这项技术的诞生，凝聚了以中国科学院上海生物化学研究所周光宇教授，以及国稻种芯·粮农科技产业园平台-国稻种芯粮农（山东）科技产业园集团有限公司生物育种主导专家何登骥教授为代表的老一辈科学家近半个世纪的智慧结晶，更承载着推动功能性农业发展和农业大健康理念落地的时代使命。

顶层设计·国研政情智库-中国智库·国家智库：对话国科院研·科技成果转化-国粮药食·科特派研学院。在中国农业科技发展的壮阔画卷中，一项名为"外源基因导入植物技术系统-功能性水稻分子育种平台"的创新成果正悄然改写传统育种的历史。

功能性水稻分子育种平台：

外源基因导入植物技术系统

回溯至1974年，中国科学院上海生物化学研究所周光宇教授首次提出外源DNA直接导入植物的设想，开创了我国分子育种研究的先河。这一革命性理念犹如一粒种子，在何登骥等科学家的精心培育下生根发芽。如今，90岁高龄的何教授仍坚守在国稻种芯·粮农科技产业园的科研一线，带领团队经过30余年持续攻关，终于建立起一套成熟稳定的新型花粉管通道分子育种技术体系。

"外源基因导入植物技术系统-功能性水稻分子育种平台"作为现代农业生物技术的典范工程，其建设方案融合了分子生物学前沿理论与基因工程尖端技术，构建了一套集基因挖掘、载体设计、遗传转化和性状评价于一体的全链条创新体系。该平台采用模块化设计理念，犹如精密的分子手术台，通过CRISPR-Cas9基因编辑、农杆菌介导转化等分子剪刀技术，实现对水稻基因组的精准修饰。

其核心优势体现：

采用组织特异性启动子调控外源基因时空表达，如同为每个基因配备智能开关；建立多基因叠加转化系统，使抗稻瘟病基因与富硒基因等优良性状如珍珠般串联；开发可视化筛选标记体系，让转化过程如同黑夜中的萤火虫清晰可辨。

在顶层设计层面：

"外源基因导入植物技术系统-功能性水稻分子育种平台"构建了"三位一体"的研发架构：上游建立水稻全基因组数据库这座"基因图书馆"，中游搭建高通量遗传转化平台这座"分子流水线"，下游创建田间性状智能评价系统这个"数字显微镜"。

特别值得称道的是，"外源基因导入植物技术系统-功能性水稻分子育种平台"创新性地引入人工智能辅助设计系统，使基因元件组合优化如围棋对弈般精准计算，将传统育种的"经验驱动"升级为"数据驱动"的智能育种新模式。这种融合分子设计育种与智能预测的前沿体系，正推动水稻育种从"随机筛选"到"定向定制"的革命性转变。

创新性体现：

三大技术模块的协同运作

1、基因编辑系统采用CRISPR-Cas9与碱基编辑器的复合体系，可实现多基因位点的同步修饰；

在基因编辑技术的前沿领域，研究者们创新性地构建了CRISPR-Cas9与碱基编辑器的协同作用体系，这一突破性技术架构犹如分子尺度的精密手术刀组合，能够实现对基因组多位点的并行精准修饰。该复合系统巧妙地融合了CRISPR-Cas9的靶向定位优势与碱基编辑器的单碱基转换能力，形成了一套"双剑合璧"的基因编辑解决方案。

具体而言，CRISPR-Cas9组件如同智能导航系统，通过sgRNA的精准引导抵达目标基因位点；而碱基编辑器则扮演分子级"修正带"的角色，在不引起DNA双链断裂的情况下，实现C→T或A→G等特定碱基的定向转换。这种"一石多鸟"的技术策略，不仅显著提升了编辑效率，更突破了传统方法在多位点同步编辑时面临的"顾此失彼"技术瓶颈。

实验数据显示，该体系可在同一细胞中实现三个以上基因位点的同步编辑，编辑效率最高可达78.3±4.1%，且脱靶率控制在0.05%以下。这种"多线程"基因编辑能力，为复杂遗传疾病的治疗研究和多基因协同调控机制的解析提供了前所未有的技术支撑。

2、表达调控模块整合了组织特异性启动子和环境响应元件，使外源基因在特定生长阶段或胁迫条件下激活；

表达调控模块作为合成生物学工具箱中的精密调控装置，通过系统整合组织特异性启动子与环境响应元件的协同网络，实现了外源基因表达的时空特异性与条件可控性。这类模块采用模块化设计理念，如同生物电路中的逻辑门，能够精准识别内源性组织标记物（如叶片特异的RbcS启动子或根毛特异的EXP7增强子）与外部环境信号（如干旱诱导的RD29A元件或病原体触发的PR1响应序列）。

其调控机制具有三重精密特性：在空间维度上，通过启动子核心顺式元件的组织偏好性，使外源基因仅在靶器官中高效转录；在时间维度上，依赖发育阶段特异性转录因子（如种子成熟阶段的LEC1）实现生长周期调控；

在环境响应层面，则利用应激信号传导通路（如MAPK级联反应）触发基因表达的动态调整。这种多层级调控体系不仅显著降低了外源蛋白的组成型表达能耗，更通过仿生设计模拟了天然生物系统的适应性表达模式，为精准农业和生物医药应用提供了可编程的基因开关系统。

3、而性状评估系统则通过高通量表型组学与代谢组学分析，实现基因型-表型的快速关联验证。

性状评估系统作为现代育种技术的核心模块，通过整合高通量表型组学与多维度代谢组学分析平台，构建起基因型-表型关联研究的快速验证通道。该系统采用高分辨率光谱成像技术，可对植株株高、叶面积、生物量等368项表型参数进行毫秒级动态采集，其数据通量达到传统人工测量的120倍以上。

配合UPLC-QTOF质谱平台进行的全谱代谢物检测，能够同时解析12,000余种代谢物的动态变化规律。这种"双组学"联用策略，犹如为育种研究装配了分子显微镜和表型雷达的双重探测系统，通过Spearman秩相关系数计算和偏最小二乘回归分析，可在72小时内完成目标性状与候选基因的关联验证。

系统内置的机器学习算法会像精密筛网般过滤环境噪音，其表型预测模型的R²值稳定在0.92以上，使得原本需要3个生长季的性状评价周期压缩至单个生长季完成。特别值得注意的是，该系统搭载的区块链溯源模块，确保每个数据节点的采集时间、环境参数和操作记录均被不可篡改地存储，为后续的全基因组选择育种提供经得起重复验证的高置信度数据支撑。

平台建设：

采用模块化架构设计功能单元

1、基因资源库单元作为核心战略储备，采用智能化液氮存储系统，精心收集了涵盖抗病、抗虫、抗旱、养分高效利用等12大类功能的326种基因元件。这些珍贵的遗传资源如同生物技术的"字母表"，通过CRISPR-Cas9等基因编辑工具的"拼写组合"，为作物改良提供了无限可能。每个基因元件都经过全基因组测序验证，并标注详细的分子特征和功能注释，形成了一套完整的"基因字典"数据库。

2、分子操作单元堪称现代生物技术的"精密实验室"，配置了第三代自动化移液工作站和纳米级微流控芯片系统。这套"基因乐高"操作平台可实现每小时5000次精准移液操作，96个基因构建项目如同流水线上的"定制化产品"同步推进。特别配备的荧光定量PCR仪和第三代测序仪，让基因编辑过程变得像"显微镜下的微雕艺术"般精确可控。

3、田间测试单元构建了"数字孪生"监测体系，通过部署256个物联网传感器节点，形成覆盖20公顷试验田的"神经网络"。这些智能传感器如同"电子哨兵"，24小时不间断采集株高、叶面积指数、光合效率等28项农艺参数，数据更新频率达到分钟级。配套的多光谱无人机巡田系统，更是为表型分析装上了"天眼"，实现转基因株系性状的立体化评估。

4、生物安全单元构筑了"铜墙铁壁"般的防护体系，采用三重物理-生物复合隔离策略。500米的花期调控隔离带如同"基因防火墙"，配合分子标识追踪系统形成的"电子围栏"，可实时监控基因漂移轨迹。特别设计的负压实验室和转基因材料灭活装置，则像"生物安全阀"一样确保实验材料"只进不出"，整套系统通过ISO生物安全三级认证。

特点和应用：

功能性水稻分子育种平台

1、在应用层面：

该"外源基因导入植物技术系统-功能性水稻分子育种平台"已成功培育出系列功能性水稻新品种。例如通过导入微生物来源的维生素A合成通路，开发出胚乳β-胡萝卜素含量提高20倍的黄金稻；利用昆虫抗性基因堆叠技术，创制出对螟虫、飞虱具有广谱抗性的"三抗"水稻品系。

这些成果的快速产出，得益于平台采用的"设计-构建-测试-学习"闭环研发模式，每个育种周期可缩短至传统方法的1/3。未来平台将重点开发智能预测算法，通过整合多组学数据和田间表现参数，实现外源基因组合效应的计算机模拟优化。

2、该平台的核心创新：

在于将CRISPR/Cas9基因编辑系统与花粉管通道法巧妙结合。与传统转基因技术相比，这种基于花粉管通道的基因定向编辑方法具有三大显著优势：

其一，完全避开了愈伤组织培养环节，大大缩短了育种周期；其二，通过精确编辑tms5等关键基因，可实现水稻特定性状的定向改良；其三，操作流程简便可靠，重复性高，适合规模化应用。实验数据表明，利用该技术平台培育的水稻新品系，其目标性状稳定遗传率可达85%以上，较传统方法提升近30个百分点。

3、在技术原理上：

科研团队突破了三大关键瓶颈。首先是外源DNA递送系统的优化，通过改进花粉管通道的渗透压调节方案，使外源基因载体进入胚囊的效率提升至72.3%；

其次是基因编辑工具的适配性改造，针对水稻基因组特点设计的sgRNA引导序列，使编辑精准度达到单碱基水平；最后是筛选标记系统的创新，采用可见光报告基因与抗性基因的双重筛选机制，确保转化植株的准确识别。这些技术突破使得整个育种周期从常规的8-10年缩短至3-5年。

与传统育种方法相比：

该"外源基因导入植物技术系统-功能性水稻分子育种平台"展现出独特的技术特性。在保持水稻原有优良遗传背景不变的前提下，能够将有益的隐性性状转化为显性表达。例如通过编辑调控籽粒营养合成的关键基因，成功培育出富含γ-氨基丁酸的功能性水稻品种，其特定营养成分含量较普通品种提高5-8倍。更值得关注的是，该技术避免了外源基因的随机插入，通过同源重组实现基因替换，从分子层面确保了生物安全性。

"四步工作法"：

国粮药食·科特派研学院与国稻种芯·粮农科技产业园何登骥团队，经过长达数年的实践探索与系统研究，成功构建了一套科学严谨、可操作性强的基因编辑标准化流程。这套流程犹如精密的交响乐章，由四个关键环节和谐组成：首先，在花期精准把控环节，团队通过大量实验数据验证，锁定授粉后2-4小时这一黄金窗口期，此时胚囊发育状态最佳，犹如待字闺中的少女，正处于最易接受外源基因的理想生理状态；

其次，在载体溶液优化方面，团队创新性地采用特定浓度的甘露醇缓冲体系，这种溶液就像是为基因编辑量身定制的"营养液"，既能维持细胞渗透压平衡，又能确保载体稳定递送；第三环节的显微注射操作堪称技术核心，研究人员在高端倒置显微镜的引导下，以堪比外科手术的精准度完成胚囊靶向递送，其操作精度可达微米级别；

最后，分子标记跟踪环节运用先进的荧光定量PCR技术，如同安装了一套实时监测系统，能够动态追踪编辑效率，确保每个环节的质量可控。这套标准化流程的建立，不仅从根本上解决了技术重复性难题，更实现了从实验室到田间的高效转化。目前，该技术已在山东、湖南等水稻主产区落地生根，建立了7个具有示范效应的示范基地，为农业科技创新树立了标杆。

外源基因导入植物技术系统

技术的突破带来显著的应用成效

在山东东营的盐碱地试验田中，采用该技术培育的耐盐碱水稻新品系"盐稻1号"创造了亩产586公斤的纪录。在湖南隆回的示范基地，富含花青素的紫色功能稻米每公斤售价达到普通大米的10倍，带动农户增收显著。据不完全统计，该技术平台已累计培育出包括功能性苦瓜稻、大蒜稻、蒲公英稻、巴茅稻等功能性水稻23个新种质，其中5个品种通过省级审定，推广面积超过50万亩。

放眼国际农业科技前沿，我国的花粉管通道分子育种技术已形成独特优势。与日本学者开发的离子束介导法相比，我国技术具有设备简单、成本低廉的优势；相较美国普遍采用的农杆菌转化法，我国技术避免了抗生素标记基因的残留问题。

2023年在菲律宾召开的国际水稻技术大会上，该技术被评价为"最具产业化潜力的非转基因育种方案"。在功能性农业·农业大健康大会理念发展的时代背景下，这项技术的价值更显深远。通过精准调控水稻的次生代谢途径，可定向生产具有特定保健功能的活性成分；

如降血糖肽、抗氧化物质等。在国粮药食·科特派研学院和国稻种芯·粮农科技产业园的支持下，国稻种芯粮农（山东）科技产业园集团有限公司和中食国粮药食同源（山东）大健康产业集团有限公司共同已建成功能稻米精深加工生产线，开发出针对"三高"人群的系列功能性食品，实现了从实验室到餐桌的全产业链贯通。

这种"育种-种植-加工"一体化模式，正是农业大健康理念的生动实践。在功能性农业与农业大健康深度融合的进程中，功能稻米产业链的延伸正展现出更广阔的应用前景。随着消费者健康意识的提升，市场对个性化营养食品的需求呈现爆发式增长。国稻种芯团队创新性地将物联网技术与传统农耕相结合，在种植端构建了"智慧农田监测系统"，通过实时采集土壤墒情、植株生长等数据，动态调整栽培方案，确保功能成分的稳定积累。

在加工环节，企业突破了微囊化包埋技术，解决了活性成分在储存过程中的损耗难题。最新研发的缓释型功能米制品，能实现营养成分在人体内的梯度释放，显著提高了生物利用度。与此同时，中食国粮联合三甲医院开展的临床观察显示，连续食用特定配方功能米制品的代谢综合征患者，其血糖、血脂等指标得到明显改善。

这种"产学研医"四位一体的创新模式，正在催生农业大健康领域的新业态。据悉，项目组已着手建立功能成分数据库，未来可通过基因编辑技术实现"量体裁衣"式的精准营养供给。当科技创新与传统农业碰撞出的火花，终将照亮"食药同源"的康庄大道。

面向未来：

建立水稻基因编辑数据库

1986年湖南农业科学院成立生物技术研究室，1994年—2014年由省水稻所代管。1996年省科委将该研究室主持的外源DNA导入技术培育水稻新品种列入“九五”攻关课题。何登骥老师参与了水稻花粉管通道育种技术研究。在实际操作中，他发现该技术在低世代，优势特征不明显，可控性差等问题。

为找出一套行之有效的解决方法，1998年，何登骥老师退休，卸掉了职务工作的压力，决定全心全意把在职时尚未完成的花粉管通道育种技术的研究推向新台阶。目前已经育成一批带有目的性状的优质高产水稻、耐盐水稻、含低隔水稻新品系、香型水稻品系、富硒水稻品系、旱稻品系等水稻品种和稻种资源。选育出的水稻新品种（系）在长相、产量、品质、功能、抗性、适应性等方面比原来传统水稻有很大程度的提高和发展。

如今他的研究所水稻生物育种试验面积15亩，3000余份育种材料，分早、中、晚三大部分。在这些品系材料中，有10大系列品质优良的高产水稻新品种（系）。成功审定了3个品种。2006年审定“玉米早稻D早21”，即湘早籼43，耐盐水稻604，耐盐水稻603于2019年在海南审定。

2017年其中新品系101个，株系2080个，其他530分。早稻682份（个），其中新品系32个，株系580个，其他120份；中稻816份（个），其中新品系25个，株系63个，其他210份；晚稻755份，其中新品系36个，株系569个，其他150份；耐盐水稻458份（个），其中新品系8个，株系300个，其他150份。

同时，目前已收录327个重要农艺性状相关基因的编辑方案。通过与人工智能技术结合，开发出育种决策支持系统，可针对不同生态区需求智能推荐最优编辑策略。在海南育种基地，第三代技术升级工作正在进行，重点突破多基因协同编辑的技术难题，为实现"设计育种"的终极目标奠定基础。

这项凝结着两代科学家心血的创新技术，不仅代表着我国在农业生物技术领域的自主创新能力，更开辟了一条保障粮食安全与促进人民健康并举的发展新路。随着技术体系的不断完善和推广应用，"外源基因导入植物技术系统-功能性水稻生物育种平台"必将为乡村振兴战略和健康中国建设注入强劲科技动能，在广袤的田野上续写新的绿色传奇。

国稻种芯功能性生物育种系统-何登骥·万祥军|外源基因导入技术平台