生物、医药和医疗器械技术

河北省花卉栽培历史悠久，文化底蕴深厚。花卉产业是河北省振兴农业的骨干产业之一，在河北省各城市市花评选中，石家庄市、邢台市、邯郸市和唐山等多个城市将月季定为城市的市花，保定市将菊花定为城市的市花。月季和菊花作为主要的花卉产品，在我国北方地区有非常大的市场需求。河北省四季分明，属于大陆性季风气候，地形复杂多样，既有丰富的地热资源又有冷凉的小气候环境，以上优良的自然条件加快了河北省花卉产业的发展。与此同时，河北省作为京津的“后花园”，具有一定的区位优势，生产的花卉有利于就近供应至京津两大花卉市场。本研究旨在突破月季和菊花遗传转化和基因编辑技术难点，创制适应北方地区气候的新种质，为河北省花卉产业的可持续发展提供材料保障和技术支撑，对推动我国花卉科技创新具有重要意义。党中央、国务院把种源安全提升到关系国家安全的战略高度，提出要实现“种业科技自立自强、种源自主可控”，出台了《种业振兴行动方案》。其中明确提出，种质资源保护、育种创新、品种测试评价和良种繁育等 4 个方面的主要内容。在育种创新方面，《行动方案》提出以大型表型鉴定平台、分子育种平台等为重点，打造具有国际先进水平的基础性、前沿性研究和商业化育种体系，支持创新型企业发展。根据中国农业大学观赏园艺系现有的分子育种基础，本项目前期已建立月季 CRISPR/Cas9 基因编辑技术体系，拟对月季和菊花遗传转化技术和基因编辑技术进行优化，创建高效月季和菊花基因编辑技术体系。与此同时，中国农业大学观赏园艺系涿州实验站已经开展了多年的资源收集和育种工作，以上的研究实践基础能够快速推动项目的开展，进而达到我国自育月季、菊花从单纯的生产繁殖外来品种逐渐到以生产具有自主知识产权品种过程的革新，创造新成就。本项目以花卉市场占有重要地位的月季和菊花材料，紧紧围绕抗逆和抗病性等决定花卉产品经济价值和生产效率的主要因素，开展系统深入的理论及应用研究，以期为河北省花卉高效育种技术的研发和产业提质增效提供理论参考和实践基础。由于月季和菊花基因组的高度杂合性、非整倍性等障碍，传统的育种方法，往往需要漫长的杂交时间和选育工作，使得月季和菊花在传统育种方向非常困难且进展缓慢。近些年，随着现代生物技术的发展和分子遗传技术的应用，尤其是以CRISPR/Cas9 为代表的基因编辑技术的出现，带来了基因编辑的技术革命，为我国月季和菊花育种追赶花卉发达国家提供了新捷径。CRISPR/Cas9基因编辑技术是目前新兴的基因定点改造技术手段，能利用植物的基因组库精确编辑、改变 DNA 序列，为植物改良创造了新的机会，极大的推动了定向育种进程。CRISPR/Cas9 介导的基因编辑技术已成为多种植物研究和育种的有力工具。普通的转基因植物需整合外源基因进入植物基因组中以产生所需的性状，而通过 CRISPR/Cas9 编辑的植物不需引入外源基因即可获得纯合的突变体，一样具有稳定的遗传能力，却减少了普通转基因带来的伦理争议。而相较于传统的育种方法，利用 CRISPR/Cas9 技术可以更高效地获得植物基因组中的多个基因突变，所产生的特定突变是定向和可控的，缩短育种周期，培育性状理想和优良品种植株的效率远远高于常规突变育种，革新了育种技术。CRISPR/Cas9 已经成为植物基础和应用研究的颠覆性工具，具有高效、精准的基因编辑能力，已帮助创建了数百种具有改良农艺性能的作物品种。已有大量研究通过对拟南芥、水稻的已知基因进行 CRISPR 编辑敲除从而快速获得具有高抗、高产、高品质等优良性状的植株。目前，在基因编辑上进行应用的观赏植物较少，主要有百脉根、铁皮石斛、苜蓿、矮牵牛、大牵牛花、菊花、兰猪耳、菊苣等草本植物，但对于多倍体植物，高倍性、高杂合性、非整倍性等复杂特性，利用 CRISPR 技术同时编辑所有等位基因的概率偏低，目前，有关月季和菊花 CRISPR 的成功案例还未见报道。本项目将筛选并创制优良的花卉核心种质材料，利用基因编辑的靶基因为研究团队前期的研究成果，具有自主知识产权。通过基因编辑手段，创制观赏价值高、抗病能力强并适应北方地区生长的月季和菊花新材料或新品种。为定向育种和高效选择提供核心种质和基因资源。所创制的新材料预期可直接应用育种，改进常规育种中的盲目性和不确定性，充分展示现代生物技术对传统育种的实质性贡献。该项目的实施具备良好的科研、经济、社会及生态效益。首先，月季和菊花的新品种培育和配套技术的推广应用，会推动华北地区月季、菊花产业的快速发展。预计项目完成时，自育月季、菊花品种产业规模快速提升，种植面积扩大 1-2 倍。课题实施的同时，还会带动周边农民就业、增收致富，培养农民技术骨干 100 人次以上，产业带动作用和经济效益显著。社会效益方面，本课题的实施，将可丰富月季、菊花在华北地区景观中的应用，极大改善华北地区的环境绿化美化质量，丰富城市景观营造，避免单一绿化效果，打造和谐、美丽、宜居的花城。从生态效益方面分析，优质、低养护型、抗病性强、耐热耐湿型月季、菊花品种的推广应用，维护投入人力物力更小，减少农药化肥的使用，栽培成本更低，可有效降低管理养护成本，提升城市绿化美化效果，降低城市生态负担。同时，也符合国人的审美需求。目前，自育月季菊花品种在华北、华北等地逐步推广使用，主要应用于各区县乡镇的沿街绿化、景区建设及园区布置，为市民打造良好生态环境的同时，经济效益、社会效益、生态效益显著，具有良好的推广应用前景。

月季和菊花分别是蔷薇科蔷薇属植物和菊科菊属植物。我国是蔷薇科植物和菊属植物的重要原产地，也是现代月季和菊花育成过程中做出重要贡献的产地。但现代月季品种和市场流通的菊花品种主要是由欧洲人主导培育。目前，绝大部分具有商业价值的月季和菊花品种仍然主要被传统上的几大育种强国，如德国、法国、美国、荷兰和日本控制。从国外购买品种需要支付高额的品种使用费，且很多进口商将一些过时的品种销往中国市场，极大降低了中国花卉产品在国际市场上的单位价格，限制我国花卉产业的发展。培育具有自主产权的花卉新品种，尽快解决花卉品种问题，已经成为现阶段我国花卉国际贸易的瓶颈，也一直是我国花卉科技工作者努力的目标。申请团队已经成功建立了国内外只有少数几个实验室掌握的月季和菊花遗传转化体系，并在国内外率先建立了月季和菊花基因编辑体系，为本项目的顺利完成奠定了扎实的基础。申请团队以栽培种‘Samantha’为材料，测定了四倍体月季的基因组，对构成现代月季基因组的两个亚基因组进行了分析，初步明确了参与现代月季育成的原始亲本及其对现代月季的贡献。为进一步开展月季的分子标记辅助育种和基因编辑育种奠定了基础。