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乘风破浪的种子 ——聚焦种业关键共性技术突破

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35斗 2023-03-10 10:43 抢发第一评

#1986年,一号文件指出:着重发展适用于我国农业的新品种。

#2005年,一号文件指出:继续实施“种子工程”、“畜禽水产良种工程”,搞好大宗农作物、畜禽良种繁育基地建设和扩繁推广。

#2009年一号文件要求“加快推进转基因生物新品种培育科技重大专项”。

#2015年一号文件要求“继续实施种子工程,推进海南、甘肃、四川三大国家级育种制种基地建设。加强农业转基因生物技术研究、安全管理、科学普及”。

#2020年中央经济工作会议提出,要“开展种源‘卡脖子’技术攻关,立志打一场种业翻身仗”。

#2021年7月9日,总书记在主持召开中央全面深化改革委员会第二十次会议审议《种业振兴行动方案》时强调,要把种源安全提升到关系国家安全的战略高度。

……


作为国家战略议题,种业创新被提高到了前所未有的高度,而这之中,作为攻克“卡脖子”的重点任务——关键共性技术,如基因测序、基因编辑、表型分析等,又将如何为种业创新锻造大国重器?


一、从1.0到4.0,育种4.0是否给我们带来换道超车的机会?


从以”驯化"为主的育种1.0时代走来;19世纪中旬,遗传学三大定律的总结,揭开了种业2.0的新篇章;百年之后的20世纪末,基因编辑技术的逐渐成熟,叩开了种业3.0的时代大门;进入21世纪,信息化技术的革新让我们看到了全新的靶向育种、精准育种的育种4.0时代的“倩影”。


历史的车轮滚滚而来,科学家们也从未停止探索的脚步。这其中,从育种2.0时代所用到的杂交育种技术,到育种3.0时代大量涉及的基因编辑技术和转基因技术,它们之间的区别也曾让人“傻傻分不清楚”。而如今,科学技术的纯熟应用和人们知识水平的提升,上述技术模糊的“面容”也逐渐变得清晰了起来。


图:杂交育种、转基因育种和基因编辑育种的区别 数据来源:据公开资料收集


时代的变迁见证着育种技术的改变,技术的改变也反映出了种业现代化的历史进程。走在现代化的路上,历史的差距固然存在,需要我们正视,但是用科学和技术点亮的“智慧树”,更是育种4.0时代我国能否实现“弯道超车”的转折点。


最近二十年间,现代种业逐渐兴起,随着科技的集约化水平不断提高,当前品种选育的“硝烟”已弥漫在生物组学、基因编辑、合成生物学等现代生物技术的“战场”上。除此之外,随着物联网、大数据等高新技术的不断涌现和逐步成熟,世界各国和地区也将目光从育种3.0时代逐渐聚焦到了育种4.0时代,而上述技术能够通过模拟作物生长气候、土壤以及生长周期等条件和信息,整合海量的数据和信息为人们提供智能育种决策,缩短育种的周期和时间,也成为了种业发展的“必争之地”。


就目前来看,我国在农业科技领域取得了一系列的重大突破,农业科技整体研发实力在世界上已有一定地位,在生物育种、植保与疫病防控、精准栽培、设施农业、质量安全、绿色发展等多个领域,已拥有标志性成果,部分领域创新水平已获得进入世界第一方阵的“入场券”。


图:近年来我国在农业科技上取得的部分瞩目成果 数据来源:北京农业


将现代生物技术和高新技术寓于种业的发展之中,不仅蕴含着我国种业“反超”的希望,还有着种业产业变革突飞猛进无限的可能和机遇。


二、种业关键共性技术梳理,大国重器如何锻造?


种业关键共性技术平台的建设,不仅是顺应时代、顺应种业发展潮流的需要,也是满足我国育种技术持续迭代升级、融合交叉学科与科学技术的、拓展跨界与领域的高度细分等多元化需求的“必需品”。


我国陆续出台的政策也是支持种业关键技术和平台建设的坚实基础。“十四五”规划中明确提出:产学研用方面,要支持产业共性基础技术研发,集中力量整合提升一批关键共性技术平台;党的十九大报告提出,“突出关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术创新”;发改委印发的《“十四五”生物经济发展规划》更是指出:布局建设共性技术平台,支撑开展关键共性技术创新和示范应用;党的二十大提出,深入实施种业振兴行动,强化农业科技和装备支撑,健全种粮农民收益保障机制和主产区利益补偿机制;2023年,中央一号文件指出,深入实施种业振兴行动。构建开放协作、共享应用的种质资源精准鉴定评价机制。全面实施生物育种重大项目,扎实推进国家育种联合攻关和畜禽遗传改良计划……


图:部分出台的有关建设关键技术平台的政策 数据来源:据公开资料收集


在政策的指引下,当前,种业领域关键共性技术平台已在我国部分地区“落户”,并成为了标配。


图:当前已建立关键共性技术平台的部分地区 数据来源:《种业关键共性技术平台建设的思考》报告, 田冰川


在政策的支持和产业的“千呼万唤”之下,以生物育种、数据科学、智能技术和先进制造等交叉学科为基础的现代育种领域,已涌现出多个细分领域的“明星公司”,某些企业甚至“身兼数职”,在多个领域都有涉及,且在行业内获得了受众的认可。


育种核心技术主要集中在农作物重要性状的遗传解析、分子设计育种、智能化育种、单倍体育种、基因编辑、表型精准鉴定等方面,我们就其中三个重要的方面进行了分析。


图:目前国内从事序列合成、遗传转化、 测序分析、表型分析的企业 数据来源:知耕TechCube


· 遗传解析及基因测序服务


值得一提的是,在遗传解析及基因测序服务方面,随着基因测序价格“超摩尔定律”式变化(华大智造刘健:以前需要十三年测一个人,现在只需要一天能测60个人。原来花几十亿美金,到现在一个全基因组测试的价格可能都不到600美金),技术的不断进步,全球市场上,基因测序正在以高速进行增长,近年来我国基因测序的市场份额占全球市场比重也在不断增加。


图:2013-2018年全球及中国基因测序市场发展规模 数据来源:前瞻产业研究院


除医学、医药领域外,在农业种、养和育种领域中,这一技术也大有可为,农作物的全品种基因测序不仅能大幅提高传统育种效率、设计“定制作物”,也会在推动农业发展、增加作物产量等方面做出巨大贡献。因此,利用遗传解析及基因测序技术和服务或将颠覆农业生产格局,其重要性也自然不言而喻。


推动农业生物育种跨越式发展的“生力军”,遗传解析及基因测序服务无可替代。以下将为读者介绍数家国内有代表性的提供遗传解析及基因测序服务的企业。


华大基因


2010年,深圳华大基因股份有限公司(以下简称:华大基因)正式成立,企业主营业务涵盖基因检测、质谱检测、生物信息分析等多组学大数据技术手段,为医疗机构、社会卫生组织等提供研究服务和精准医学检测综合解决方案。2017年,华大基因成功登陆深交所创业板,成为了真正意义上基因测序行业登陆资本市场第一股。


基因测序这一领域的高门槛也让华大基因拥有了属于自身的“护城河”。2016年,其自主研发的高通量台式测序系统BGISEQ-50曾被彼时的企业执行副总裁称为“我国已完全具备自主可控的核心测序技术的标志”。


在种业方面,华大基因关注种质资源保护与开发,企业旗下的华大科技提出的“种质资源研究 → 多组学数据 → 分析 → 数据库 → 分子创新育种”的整体解决方案,能够有效提高分子育种效率、助力主体进行决策、加大相关数据的共享力度,为我国实现种业振兴提供了有力的支撑和保障。


目前,华大基因业务已遍及全球100多个国家和地区,完成1000余个物种的全基因组从头测序,合作发表期刊文章200余篇,已在遗传解析及基因测序服务领域拥有一定话语权。


博瑞迪


2017年由张嘉楠创立的石家庄博瑞迪生物技术有限公司(以下简称:博瑞迪)称得上是遗传解析及基因测序服务领域中的“后起之秀”,但在推动我国分子育种的产业化进展上,企业并不显得“稚嫩”,相反,博瑞迪已在行业内拥有一席之地。


致力于低成本的分型技术,博瑞迪独立开发了GBTS靶向测序基因型鉴定技术,以帮助动植物领域的育种端或科研端实现低成本基因型检测和分型。


随后,在2019年,博瑞迪建立了一套覆盖最初样品取样到最终实验室测序之间所有流程的全国产化的独立技术体系,只需采购基础的工业原料就能完成整个实验的方式使得成本直线下降。企业多年积累的实验室高通量及自动化能力能够显著降低液相捕获测序成本,使得大部分育种企业都能从中获得显著的经济效益,为育种行业发展提供了极大的助力。


博瑞迪专注于动植物分子检测和育种相关技术开发与应用,截至目前,基于该公司自主研发GBTS检测技术,已开发涵盖作物、畜禽、林木、水产等100+物种,300+款分子育种液相芯片,企业已服务500+育种单位,检测样本超70万+、发表专业文章40+篇。


康普森


北京康普森生物技术有限公司(以下简称:康普森)是深耕在动植物遗传育种领域的基因检测服务商。2011年成立的康普森,可以称得上是国内农业基因组技术商业化平台的“老大哥”。年检测量超120万的国际标准实验室、具备CMA检验检测资质认定证书、CNAS实验室认可证书、先后的引进的华大MGISEQ2000测序平台、人类健康基因检测平台以及各种配套设备等都无一不在证明着企业的强大实力。


本着“面向农业,深入产业”的奋斗目标,康普森之中致力于开发符合我国农业产业结构和物种的系列基因芯片,以求能够满足当前动植物品种鉴定、良种选育、性状筛选等需求。将基因组技术从科研落地到农业生产中,实现中国农业与发达国家接轨,真正做到中国农业的大发展。


截止目前,康普森已经与多家高校和科研院所达成合作,共同研发出玉米油料检测基因芯片、棉花品种鉴定基因芯片、猪SNP分型芯片等,企业日检测样本量可达1000个以上,目前已完成项目近2000个,合作客户发表多篇SCI论文。


总的来说,我国基因测序行业当前处于成长阶段,部分企业的测序技术已够到达到国内领先、国际先进水平的门口,越来越多的具有完全自主知识产权的基因测序产品获批上市实现商业量产。但如何实现基因测序仪进口产品的国产化替代、降低成本、大批量实现物种的基因组测序仍是我国相关企业风物长宜放远量的长期战略。


· 基因编辑/转基因


农业农村部科技教育司二级巡视员张文曾表示,以全基因组选择育种、转基因技术、基因编辑等为代表的生物育种技术已成为国际育种的前沿和核心,相关技术已成为全球众多国家和地区抢占科技制高点、增强国际竞争力的重大发力点。


政策的带领下,处处都是响应之声。高位布局玉米转基因品种开发的隆平高科,取得重要进展的大北农转基因大豆产品,为基因检测提供重要支撑的舜丰生物……随着人们对基因编辑和转基因认知的不断深入,其产业化也显示出诱人的前景。


Kalorama Information预测,2025年基因编辑及其相关供应市场规模有望突破50亿美元,华泰证券研究报告则预测,5年后,我国转基因种子市场规模有望达到460亿元。


在这条赛道上,我国也涌现出了多个优秀企业。


齐禾生科


2021年9月成立的苏州齐禾生科生物科技有限公司(以下简称:齐禾生科),在成立半年之后(2022年3月)就宣布了企业已完成由杏泽资本独家领投的逾亿元人民币种子轮融资,这也是迄今为止中国已公布的基因编辑企业种子轮投资的最大手笔,这个基因编辑领域中的“新秀”其上升势头不可谓不猛。


其创始团队的履历同样“金光闪闪”,团队成员有在基因编辑学术领域具有世界级影响力、被Nature评为中国十大科学家之星的高彩霞博士、哈佛大学基因编辑科学家刘如谦的学生Kevin Zhao博士,以及拥有丰富经验的研发、运营及商业化团队。


齐禾生科以开发新型基因编辑技术为着力点,作为突破性的分子生物学技术,基因编辑在全球范围内已被广泛应用,在生物育种领域,这一工具的使用有着巨大的影响力。然而,令人唏嘘的是,此前,基因编辑工具的核心底层专利皆被海外机构握于手中,但齐禾生科的出现似乎有望改写这一局面。


专注于开发独立自主可控的新型基因组编辑技术,并探索其在生物育种等各领域的应用,未来,希望齐禾生科能在基因编辑这一片生物育种希望的沃土上持续耕耘。


杭州瑞丰生物


2022年,这一年是被众人看做中国转基因的商用元年,随着转基因大豆玉米品种审定标准(施行)的印发,我国距离生物育种产业化应用更近了一步。


作为转基因玉米主要研发“4企1校1所”(中国农业大学、中国农业科学院、大北农、杭州瑞丰、隆平生物、先正达)的一员,杭州瑞丰生物科技有限公司(以下简称:杭州瑞丰)称得上是我国转基因研发的领导者。


企业于2009年由沈志成正式创立,目前,隆平高科为杭州瑞丰第一大企业股东。依托浙江大学的基础研究优势,企业已建立了从功能基因挖掘、转化体创制和筛选、国内国际安全评价和转基因品种转育的完善的产学研结合平台。


2019年12月,杭州瑞丰生产的“瑞丰125”转基因抗虫耐草剂玉米是获得农业转基因生物安全证书的首批产品之一;2021年12月,杭州瑞丰的“浙大瑞丰8”转基因抗虫玉米在农业农村部科技教育司进行了农业转基因生物安全证书(生产应用)批准清单的公示;企业另有的数个转基因抗虫抗除草剂玉米和大豆新品种也进入了安全证书的申请阶段……频传的捷报使得企业完成了商业化的积累,也奠定了企业在转基因这一领域的地位。


· 表型精准鉴定


表型缘何重要?


归根到底,农作物收获的是表型,而不是基因型。在农作物育种研究中,尽管基因测序有着重要的意义,但最为直观和直接的还是表型。《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》也将“作物表型组学研究设施”列入其中。


传统的育种方式,育种人过于依赖经验,品种的选取、决策的逻辑,也仅靠“经验”二字,如今,育种领域中,以科技为名的“发令枪”已经响起,种质资源表型鉴定、有效保护和合理利用无一不需要我们下“狠功夫”。


百奥云


将育种过程中的“三分运气”的小概率转变为“满分数据”是长沙百奥云数据科技有限公司(以下简称:百奥云)一直以来努力的方向。


2018年,由王冰冰创立的百奥云如今已为隆平等种业公司和湖南省农科院、河北农科院等科研单位提供育种数据管理分析服务。


百奥云开发的育种表型数据系统能够整合长时间、多点的育种表型数据,并对数据进行多维度的分析和统计。自动化和数据驱动可视化的设计模式,能够直观地向从业者说明数据背后的意义,助力企业快速、高效地完成对育种数据和材料选育的信息化管理,帮助用户从多个产品中筛选出最优秀的品种、做出最佳的育种决策。


同时系统还整合了多个深入分析工具,包括区域适应性分析、性状稳定性分析及性状间关联分析等,通过分析比较品种间、品种与对照在不同区域的适应性和稳定性,能够帮助企业找到品种适应的精准区域,为企业和个人提供数据支持。


慧诺瑞德


慧诺瑞德(PhenoTrait)是一家以植物表型为核心的AIoT+DT技术公司,是国家高新技术企业、中关村高新技术企业和全国科技型中小企业。公司利用智能感知、多源多维多谱视觉技术、人工智能、自动化和物联网技术,为大范围、高通量获取与农作物品质、产量、抗性相关的植物表型及环境数据提供系统解决方案,为智慧育种、智慧种植和产业链赋能。表型组是基因组之后生命科学研究和产业应用的又一战略制高点。慧诺瑞德,用表型之“瞳”,筑科研之基,拓产业之路,赋农业之慧。


三、写在最后


#欧洲、美国、日本、澳大利亚等发达国家已先后建立作物表型组学研究机构。

#2019年,美国转基因作物种植面积为7150万公顷,占全球37%;巴西、阿根廷、加拿大分别占全球的28%,13%和7%;中国仅占全球的1.68%。……


科技创新是我国种业行业面向未来的重大战略选择。传统种业,是在一条以脚力和马车为主要“赶考”方式的赛道上进行的竞赛;而如今,这条用钢筋水泥搭建起来的赛场,比拼的是世界各国和地区在科技上的储备和相关技术的创新。过往用马车和脚力形成的差距和先发优势,在如今飞机、高铁速度的对比下,要实现追赶,其差距也只在毫厘之间。


谁掌握了核心科技,谁就掌握了种业的未来。


参考资料:

1.《陆福兴:从历年中央一号文件看我国种业政策的变迁与趋势》

2.《育种4.0时代到来 数字科技助力解决种子难题》

3.《重磅!近十年我国农业科技的30个标志性成就公布!》

4.《种业关键共性技术平台建设的思考》报告,田冰川

5.《华大基因入选国家种业专业化平台阵型企业!》

6.《齐禾生科完成逾亿元人民币种子轮融资,占据基因编辑技术制高点》

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