如果說一個多世紀(jì)之前，達(dá)爾文和孟德爾的發(fā)現(xiàn)為 20 世紀(jì)農(nóng)業(yè)育種和遺傳學(xué)奠定了根基，那么分子育種研究在 21 世紀(jì)的今天無疑將享有相同地位。
這門交叉學(xué)科正徹底改變動植物的培育方式。它從分子層面入手，通過分子標(biāo)記輔助、轉(zhuǎn)基因，以及基因編輯等技術(shù)育種，希望將作物與畜禽的產(chǎn)量、品質(zhì)提升到自然世界難以達(dá)到的高度，并盡可能地降低生產(chǎn)成本。
在這一領(lǐng)域，生物技術(shù)、基因組研究、分子標(biāo)記應(yīng)用與傳統(tǒng)植物育種擦出了火光，努力為人類驅(qū)散著饑餓意外降臨的恐懼。
千百年來，“靠天吃飯”一直是刻在農(nóng)業(yè)基因中無法去除的枷鎖。氣候、蟲害、疾病在 21 世紀(jì)依舊是影響人類“飯碗”的不確定因素，這在擁有全世界五分之一人口的中國更是如此。
中國是世界第二大種子需求國，但逆全球化思潮正將全球產(chǎn)業(yè)鏈布局由“效率至上”導(dǎo)向“安全至上”，邏輯變化為國際貿(mào)易蒙上了不確定性的面紗。在這樣的背景下，“種業(yè)翻身仗”去年2月被寫進(jìn)了中央一號文件；在今年的一號文件中，糧食安全與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技再次被放到了最顯眼的位置。
21 世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)，種子是農(nóng)業(yè)發(fā)展的芯片，中國在生命科學(xué)的世紀(jì)呼喚分子育種。
10 月 27 日，億歐智庫聯(lián)合華大智造共同發(fā)布了《2022 年中國農(nóng)業(yè)分子育種行業(yè)發(fā)展白皮書》（以下簡稱“白皮書”），指出從 2021 年以來，中國的種業(yè)已經(jīng)結(jié)束了深化改革階段，開始邁入發(fā)展變革階段。
透過對中國過往種業(yè)的研究與考察，可以發(fā)現(xiàn)在分子育種領(lǐng)域，中國的本土技術(shù)與理論對比發(fā)達(dá)國家其實(shí)并沒有多少差距：產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)支撐有保障，上游設(shè)備國產(chǎn)化也不存在“卡脖子”之痛。
白皮書指出，中國與領(lǐng)先國家的差距只在“技術(shù)端與產(chǎn)業(yè)端如何更好地相結(jié)合”上，并稱之為“最后一公里”。這當(dāng)然不是指將技術(shù)與產(chǎn)業(yè)成功對接唾手可得，但至少，“最后一公里”已并非遙不可及。
時代呼喚分子育種
發(fā)展種業(yè)是提高單產(chǎn)的核心因素。當(dāng)中國農(nóng)業(yè)供給保障能力日益增強(qiáng)，三大主糧自給率達(dá)到 98.75%，中國將科技發(fā)展的戰(zhàn)略目光投向了分子育種。
一方面，“吃飽”后向“吃好、吃健康”發(fā)展是自然趨勢；另一方面，憂患意識本就是中華這一古老農(nóng)業(yè)文明的精神特質(zhì)。
據(jù)農(nóng)村農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)，中國當(dāng)前農(nóng)作物良種覆蓋率在 96% 以上，自主選育品種面積占比超過 95%，畜禽核心種源自給率超過 75%。而單良種一項(xiàng)，對糧食增產(chǎn)、畜牧業(yè)發(fā)展的貢獻(xiàn)率可以達(dá)到 45% 和 40%。
在剛結(jié)束不久的“二十大”上，“農(nóng)業(yè)強(qiáng)國”首次被寫進(jìn)黨代會報(bào)告，重要性被提到了前所未有的高度。中國是糧食生產(chǎn)大國和需求大國，也是僅在美國之后的第二大種子需求國，大概出于這一考慮，今年分子育種被列入了中國科技發(fā)展的重大戰(zhàn)略方向。
憂患意識源于對現(xiàn)狀的認(rèn)識與對未來的思考，而中國農(nóng)業(yè)當(dāng)前正面臨諸多挑戰(zhàn)，分子育種則肩負(fù)著未來應(yīng)對挑戰(zhàn)的使命?？傮w而言，中國農(nóng)業(yè)面臨著三點(diǎn)主要挑戰(zhàn)：氣候異常、疾病蟲害，以及國際貿(mào)易的不穩(wěn)定因素。
首先，氣候變化對動植物的影響多種多樣。氣溫上升會加速植物的生長和發(fā)育，但會降低作物產(chǎn)量，對動物的繁育能力也有影響。暴雨、冰凍等極端氣候?yàn)?zāi)害不僅破壞作物本身，也會影響農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，降低生產(chǎn)效率。
其次，草地貪夜蛾等外來物種入侵、非洲豬瘟等疾病發(fā)生，也在一定程度上造成了中國農(nóng)產(chǎn)品的減產(chǎn)風(fēng)險。而缺少本土天敵，以及抗藥性等因素則增加了作物病蟲害的防治難度。
值得一提的是，種種自然因素疊加國際形勢變化，促使各國從“分工合作”追求效率走向“獨(dú)立自主”保證安全，這種國際貿(mào)易中的邏輯轉(zhuǎn)變開始逼迫世界各國去調(diào)整應(yīng)對。一個很明顯的趨勢是，自今年年初俄烏邊境燃起硝煙之后，俄羅斯、烏克蘭、巴西、印度等陸續(xù)超過 20 個國家頒布糧食出口禁令。
中國作為糧食進(jìn)口大國，在自身農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中，數(shù)字化、機(jī)械化技術(shù)等應(yīng)用與發(fā)達(dá)國家尚有一定差距，很難說可以在國際貿(mào)易沖突中超然其外。
分子育種呼之欲出。去年 7 月，《種業(yè)振興行動方案》直奔“種子”，要求啟動種源關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，開展生物育種重大科技項(xiàng)目，加快成果轉(zhuǎn)化推廣應(yīng)用。
今年 8 月，在中國首份“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃出臺后，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部又印發(fā)《關(guān)于扶持國家種業(yè)陣型企業(yè)發(fā)展的通知》，明確提出要遴選陣型企業(yè)重點(diǎn)扶優(yōu)，支持、鼓勵、推動科研單位、金融 機(jī)構(gòu)、種業(yè)基地與陣型企業(yè)對接。
政策的窗口已經(jīng)打開，告訴在中國分子育種產(chǎn)業(yè)鏈布局的“種子”玩家們“春天到了”。
上游基礎(chǔ)支撐完備，沒有卡脖子之痛
白皮書將分子育種的產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)分為上游基礎(chǔ)支撐，中游育種研發(fā)，以及下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。上下游聯(lián)動加快構(gòu)建商業(yè)化育種體系才能將中國分子育種推向更高的階段。
國際上將農(nóng)業(yè)生物育種共分為了 4 個經(jīng)典階段，分別是：1.0 農(nóng)家育種時代、2.0 雜交育種時代、3.0 分子育種時代，以及 4.0 智能育種時代。
4.0 時代是一種進(jìn)入由前沿科學(xué)技術(shù)引領(lǐng)的“生物技術(shù)+信息技術(shù)+人工智能+大數(shù)據(jù)技術(shù)” 的智能階段，部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)跨上這一臺階，而中國還在從 2.0 階段向 3.0 階段艱難邁步。
3.0 分子育種時代先進(jìn)的生物技術(shù)包括分子標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因、基因編輯在育種中廣泛應(yīng)用。從底層技術(shù)與上游自主的角度來看，中國已經(jīng)具備“后來居上”的先決條件。
中國的科研與技術(shù)與已步入 4.0 階段的發(fā)達(dá)國家差距不大，除轉(zhuǎn)基因的應(yīng)用環(huán)節(jié)在中國受到極其嚴(yán)格的監(jiān)管之外，分子標(biāo)記輔助選擇、基因編輯技術(shù)整體處于國際領(lǐng)先水平。
甚至從產(chǎn)業(yè)鏈獨(dú)立自主的邏輯來看，龍頭企業(yè)的底層技術(shù)完備，上游設(shè)備的國產(chǎn)化也不存在“卡脖子”之痛。
上游為基礎(chǔ)支撐，包括育種設(shè)備、基因測序設(shè)備及種質(zhì)資源收集分析等。國內(nèi)如華大智造，已有分子育種樣本制備、基因測序、數(shù)據(jù)分析的全流程產(chǎn)品組合。
尤其基因測序環(huán)節(jié)，作為基因分型的主要手段之一，其成本快速下降正推動了全基因組選擇技術(shù)成為分子育種的新寵，也正成為國際上畜禽分子育種中的研究熱點(diǎn)。
簡單來說，全基因組選擇技術(shù)突破了只對主效基因檢測的局限性，可以利用覆蓋全基因組的分子標(biāo)記同時關(guān)聯(lián)主效、微效基因，進(jìn)行復(fù)雜性狀育種值預(yù)測，能實(shí)現(xiàn)早期選種，具有準(zhǔn)確性高、性狀選擇效果好等特點(diǎn)。但也相應(yīng)的對基因分型提出了高通量、成本可控、穩(wěn)定性的新要求。
國內(nèi)少數(shù)企業(yè)已經(jīng)完成技術(shù)突破。以華大智造為例，DNBSEQ-T7 等產(chǎn)品擁有超高通量、高準(zhǔn)確度、低 Adapter Rate、低 Duplication Rate（減少無效重復(fù)）、與低 Index Hopping（減少錯誤）等特點(diǎn)，能夠滿足全基因選擇在分子育種領(lǐng)域應(yīng)用的需求。
據(jù)華大智造合作伙伴博瑞迪生物測算，依托華大智造 DNBSEQ-T7 超高通量測序儀，下游作物種企能平均縮短一半合格種源培育周期；選擇準(zhǔn)確率提高 20%-30% ；成本降低 90% 以上。
從這一角度來看，上游基礎(chǔ)支撐的發(fā)展已為中國生物育種正從 2.0 常規(guī)育種向 3.0 分子育種發(fā)展掃清技術(shù)障礙，甚至為國內(nèi)中、下游企業(yè)在“全基因組選擇”等分子育種前沿領(lǐng)域與跨國企業(yè)一較高下提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，將極大加速國內(nèi)分子育種產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
“最后一公里”差在哪？
沒輸在起跑線上的中國分子育種，始終要解決的是“最后一公里”的問題。
“最后一公里”是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教授胡曉湘提出的比喻，即中國分子育種要解決“技術(shù)端與產(chǎn)業(yè)端如何更好地相結(jié)合”。
在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中，中國與國際領(lǐng)先水平存在“代差”。主要表現(xiàn)為兩點(diǎn)：以科研院所為核心的育種主體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化少；（作物/畜禽水產(chǎn)）種企集中度低，研發(fā)能力弱，技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程慢。
當(dāng)前科研院所是中國農(nóng)業(yè)育種領(lǐng)域的主力，擁有最豐富的育種資源和育種人才?？梢灶A(yù)見這種情況在未來一段時間內(nèi)不會改變。但如此帶來的弊端卻很明顯：科研院所育種往往以申請項(xiàng)目和課題形式進(jìn)行，對基礎(chǔ)性、長期性、戰(zhàn)略性研究重視不足，育種研發(fā)與市場脫節(jié)，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化不足。
據(jù)白皮書內(nèi)容，中國有超過 90% 的科研成果未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。對比歐美等發(fā)達(dá)國家的育種體系可以發(fā)現(xiàn)，歐美國家前期以政府聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)為主，后期無一例外轉(zhuǎn)為企業(yè)為主，這大概率也是中國分子育種未來發(fā)展的方向。
至今，世界前 20 大跨國種企手中擁有全球 90% 的育種技術(shù)。發(fā)達(dá)國家的市場化運(yùn)作下，育種研發(fā)經(jīng)費(fèi)源源不斷流向企業(yè)，而非大學(xué)或科研院所。企業(yè)以市場需求為出發(fā)點(diǎn)，通過產(chǎn)業(yè)鏈緊密合作可以有效將研究成果產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。
而中國當(dāng)前以科研機(jī)構(gòu)為主的模式下，必然的結(jié)果是種企格局分散、科技創(chuàng)新投入不足。分子育種作為強(qiáng)科技屬性領(lǐng)域，研發(fā)能力是關(guān)鍵的核心競爭力。然而中國種企育種研發(fā)薄弱，對國際種企難以望其項(xiàng)背。
例如在 2019 年，中國全部種企的研發(fā)投入僅為 42 億元，而同年僅拜耳作物科學(xué)一家企業(yè)的業(yè)務(wù)研發(fā)支出就有 109 億元。這甚至不是同一維度的對比，實(shí)際上可憐的 42 億元還分散在中國無數(shù)的種企之間，行業(yè)集中度過低也顯示著中國分子育種市場的稚嫩。
以 2020 年數(shù)據(jù)來看，世界前 5 大種企分走了全球市場的半壁江山（52%）；而中國前5大種企的市占率卻僅占中國市場的 12%；如果聚焦到種豬領(lǐng)域，全球 Top3 企業(yè)市占率達(dá)到了 47%，中國 Top3 企業(yè)卻僅占了中國市場的 5%。
中國種企規(guī)模小，格局分散，又會進(jìn)一步限制其科技投入能力。白皮書認(rèn)為，加快構(gòu)建商業(yè)化育種體系需要以企業(yè)為主體，引導(dǎo)科研院所育種人才、技術(shù)、材料等育種資源向企業(yè)流動，最終通過“需求-研發(fā)-支撐”的市場化機(jī)制，推動中國種業(yè)由大到強(qiáng)。
為中國分子育種開一劑良方
單從技術(shù)應(yīng)用角度來看，考慮到單體價值與世代間隔兩項(xiàng)因素，未來預(yù)計(jì)分子育種在畜禽育種領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度與發(fā)展速度將比作物育種更快。
從單體價值角度，畜禽單價顯然高于作物，因此運(yùn)用分子育種技術(shù)的投入回報(bào)更高；如果將視角放寬到世代間隔來看，這一優(yōu)勢將更被放大。相較于作物育種，畜禽培育周期更長，世代間隔時間更久，分子育種帶來的收益自然更高。
例如，前文提到的“全基因組選擇”進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用后，就有可能幫助企業(yè)繁育出“更完美”的品種。溫氏股份聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，曾依托于華大智造的 MGISEQ-2000 高通量基因測序平臺，開發(fā)出基于低深度全基因組測序的全基因組選擇技術(shù)。
據(jù)溫氏股份披露，這種技術(shù)運(yùn)用在種豬培育方面取得了常規(guī)性狀增幅6%-15%；飼料轉(zhuǎn)化率提高4-12%；繁育性狀選擇準(zhǔn)確率提高15.79%-40%，以及遺傳進(jìn)展加快的效果。
但結(jié)合實(shí)際情況而言，作物育種肩負(fù)“保障主糧安全”的更高使命。而且無論人才還是現(xiàn)有的科研成果，中國對作物育種都有著極大的資源傾斜。主糧性狀改善實(shí)際上也是當(dāng)前分子育種下游中最主要的應(yīng)用場景。
中國是全球第二大種質(zhì)資源庫，資源總量超過 52 萬份。但完成精準(zhǔn)鑒定的比例卻不足十分之一，背后所藏的是未來中國分子育種發(fā)展必須跨越的挑戰(zhàn)。
首先，基因型檢測的高成本是主要限制因素。
在中國種企普遍規(guī)模小、集中度較低的格局下，一次反應(yīng)數(shù)千乃至數(shù)萬的開銷多少顯得有些沉重。“高通量、低成本、穩(wěn)定性”是中下游種企對測序的核心訴求。未來，以華大智造為首的國產(chǎn)測序儀相關(guān)企業(yè)需要持續(xù)推進(jìn)高通量測序技術(shù)的研發(fā)，降低分子育種應(yīng)用門檻。
此外，加強(qiáng)科企協(xié)作，形成分工明確的技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化體系是未來中國育種能參與全球競爭的關(guān)鍵。
目前，中國科企協(xié)作已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室理事單位主要由省政府廳等政府單位，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究等科研院所，以及中國種子集團(tuán)等企業(yè)單位與技術(shù)創(chuàng)新中心共同組成。相信未來這種科企協(xié)作模式也將在政府頂層規(guī)劃和支持下更多出現(xiàn)。
而針對種企研發(fā)能力不足方面，白皮書建議可以通過兼并購、行業(yè)共建關(guān)鍵共性技術(shù)平臺的方式提升，最終做到育種、繁育、推廣產(chǎn)業(yè)鏈一體化。
兼并購是企業(yè)發(fā)展的重要手段，也是國際種業(yè)集團(tuán)擴(kuò)大市場占有率，提高研發(fā)水平的“常規(guī)”操作。美國曾多次并購的著名種企孟山都也在 2016 年被拜耳收購；陶氏也和杜邦聯(lián)手成立了科迪華。
當(dāng)前，全球已明顯呈現(xiàn)出拜耳、科迪華的雙寡頭壟斷格局，產(chǎn)業(yè)鏈一體化趨勢明顯。對中國種企來說，通過合作共建技術(shù)平臺、籌建聯(lián)合育種研發(fā)平臺等方式，降低研發(fā)風(fēng)險，完善育種、繁育、推廣的產(chǎn)業(yè)鏈一體化建設(shè)，也不失為提升企業(yè)自主創(chuàng)新能力的一劑良方。
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