初夏时节，我省玉米迎来苗期关键生长期。田间地头里，农业科研人员穿梭在青翠的玉米垄间，小心翼翼地摘下一片片鲜嫩的玉米叶片，逐一编号、记录、存档。这套看似简单的田间操作，悄然解锁了吉林本土玉米育种的专属基因密码。
近日，吉林省农业科学院生物所、玉米所联合华中农业大学、博瑞迪生物共同研发的全省首个玉米育种芯片“吉芯玉一号”投入使用，破解了我省玉米育种长期依赖通用芯片的困局，为东北寒地玉米育种装上了“吉林芯”。
什么是玉米全基因组育种芯片
若将玉米育种比作“选育优等生”，那么育种芯片则如同一套精准的“基因体检仪”，无需等待玉米成熟，只需一片小小的叶片，就能精准解读玉米的全部基因密码，摸清其是否具备高产、抗病、抗寒、宜机收等特性，从而精准筛选出优质育种材料，让育种从“盲目试错”转向“精准定向培育”。
“吉林是国家核心玉米主产区，玉米种植面积常年稳定在6500万亩以上，是守护国家粮食安全的重要屏障。”省农科院玉米研究所所长、院生物技术首席科学家、研究员刘相国介绍，长期以来，我省科研单位、种业企业开展玉米育种工作，大多依靠通用芯片。育种成本居高不下，最突出的问题就是适配性严重不足。
市面上的通用芯片大多针对南方、黄淮海地区的玉米品种研发，移植到东北寒地春玉米育种时，往往出现“水土不服”现象：大量基因位点对本地玉米种质无效，无法有效检测出抗寒、早熟、耐霜冻、适配籽粒机械化收获等关键性状难以推广应用。此外，通用芯片仅提供原始检测数据，缺乏配套的本土化数据分析服务，科研人员和种业企业拿到数据后难以落地应用，实用性大打折扣。
更为重要的是，国外种业长期垄断基因组育种等核心技术，导致我省玉米种业在关键环节受制于人，严重制约了我省玉米种业的自主创新发展。
“我省的寒地种植环境具有无霜期短、倒春寒及秋季早霜灾害频发等特点，对玉米的熟期、抗寒能力要求高。”刘相国介绍，目前我省正大力推行籽粒直收的全程机械化种植模式，要求品种必须具备抗倒伏、籽粒脱水速度快等特性；同时，黑土地保护需要培育耐密植、省肥省药、养分利用率高的优良品种。
因此，研发一款专属吉林、适配东北寒地的玉米育种芯片，成为破解产业痛点的迫切需求。
补齐寒地春玉米育种基因数据短板
在省农科院农业生物技术研究所的实验室里，科研人员取出一片干燥的玉米叶片，用打孔器打出黄豆大小的圆片，收集存入96孔采样板，再通过标准化试剂提取叶片DNA，借助高通量测序技术完成样本检测，最后通过专属分析系统解析基因型信息。短短数日，就能完成数千份育种材料的基因分型，精准锁定适配育种目标的优质材料。
如今这套标准化的检测流程，在传统育种模式下，需要科研人员数年田间试验、反复观测筛选，耗费大量人力物力，最终得到的育种结果依旧有限且模糊。
“育种芯片将繁杂低效的传统试验流程，整合为标准化、智能化的高效检测体系，实现了育种工作的提质增效。”刘相国说，省农科院农业生物技术研究所于2022年启动专属玉米育种芯片研发工作，历时4年，经过海量样本采集、基因测序、位点筛选、大面积田间验证等多个环节，研发出“吉芯玉一号”45K液相芯片，填补了吉林省寒地玉米专属育种芯片的技术空白，整体技术达到国内先进水平。
研发过程中，团队面临的最大技术难题是缺少适配东北寒地玉米的核心基因位点。
“通用芯片上的许多位点在本地玉米材料中，无法精准检测出与寒地种植相匹配的性状。”刘相国说。
为攻克这一难题，团队依托吉林省作物生物育种联盟，系统开展了大规模玉米种质资源基因组测序工作：他们走遍省内各大玉米种植生态区，采集了近20年来6000多份主推品种骨干亲本材料，通过全基因组测序与田间性状比对分析，从上千万个基因位点中层层筛选、反复核验，最终锁定约4.5万个适配有效核心位点。
从盛夏酷暑的田间采样，到通宵达旦的实验室测序与基因型数据分析，再到连续多年的田间验证，科研团队扎根田间、深耕实验室，终于打造出专属于吉林的玉米育种“核心工具”。
“吉芯玉一号”有效可用位点达44125个，有效匹配率超98%，样本位点缺失率仅为2.41%，纯合自交系杂合度低至0.74%，各项数据稳定性、精准度均表现优异。成本优势同样十分突出，检测费用较进口芯片降低60%以上，较国内通用芯片降低30%，大幅降低了高端分子育种技术的应用门槛，让省内种业企业、科研机构能够低成本、常态化使用。
相较于通用芯片，该育种芯片的大多数功能位点均源自本地玉米种质资源，能够精准预测本土玉米有效性状，检测有效率明显高于通用芯片。其覆盖范围全面，囊括产量、品质、抗病、抗逆、株型、脱水率七大核心农艺性状，精准对应169个关键性状基因与951个优良等位基因类型，实现从“盲目扫描”到“定向精准检测”的跨越升级。
同时，团队还与武汉耘阵科技合作，建立了吉林省作物生物育种联盟玉米育种数据分析平台，改变了以往仅输出原始数据的单一模式，可同步提供基因诊断、种质分类、亲本选配等可落地的育种方案，构建起从检测分析到实际应用的全链条服务。
“我们针对吉林种植特点做了大量专属优化，设计的育种方案更贴合本地产业需求。”刘相国介绍，芯片新增抗早春低温、耐秋季早霜、适配不同积温带熟期的基因位点，精准匹配我省寒地气候特征；聚焦全省籽粒直收的机械化种植模式，强化抗倒伏、籽粒快速脱水的检测位点；围绕黑土地保护和绿色种植需求，优化养分高效利用、本地高发病害抗性相关位点，在稳产增收的同时，助力农业绿色可持续发展。
依托这款专属芯片，我省已完成6000多份玉米骨干亲本的基因分型工作，建成全省首个玉米种质基因数据库，一定程度上摸清了吉林玉米种质的“基因家底”，为未来我省全面开展玉米智能育种打下了坚实的数据基础。
科技赋能玉米育种提质增效
技术落地带来的育种成效十分显著。依托“吉芯玉一号”分子育种技术，省农科院开展优异等位基因聚合育种，培育出多个拥有自主知识产权的玉米新品种。
省内首批应用该芯片的21家种企、科研单位表示，这项技术全面改变了玉米经验育种模式。以往需要8—10年的育种周期，如今缩短了一半；整体育种效率提升2倍以上，田间试验规模缩减70%，综合育种成本下降30%以上。在玉米苗期就能完成种质基因检测，提前淘汰90%以上的劣质育种材料，彻底摆脱了盲目种植、低效筛选的困境，大幅节省了土地、人力、物资成本，让中小种业企业也能轻松用上高端智能育种技术。
“以宏泽种业为例，我们通过芯片对该企业104份核心育种材料开展全面基因检测，精准划分出9个育种类群，筛选出聚合高产、优质、抗病等多重优良基因的核心材料。”刘相国表示，这项技术从根源上解决了种业企业种质血缘模糊、亲本选配全靠试错的行业痛点，大幅提升新品种选育成功率。
芯片培育的新品种，更加适配我省密植高产的种植模式，有效破解了玉米产业“增密度、提单产”的核心技术瓶颈。同时，品种抗倒伏、抗病害能力显著增强，大幅降低机械化收获损耗，稳产保障能力持续提升。依托我省千万亩级的玉米种植规模，新品种的持续迭代升级，将不断挖掘粮食增产潜力，为筑牢国家粮食安全东北屏障提供坚实科技支撑。
“种质资源创新是一项长期的系统性工程，‘吉芯玉一号’的落地应用，只是吉林玉米智能育种发展的第一步。”刘相国表示。据悉，下一步研究团队将持续推进芯片技术迭代优化与成果推广。重点新增抗穗腐病、耐盐碱、耐旱等抗逆基因位点，提升检测精准度；开发食用、饲用、加工用等多元化系列芯片，覆盖各类育种场景；同时引入大数据和人工智能技术，打造我省玉米育种智能体，降低中小企业应用门槛，推动基因组育种智能化，让智能育种技术惠及全省种业。
一枚玉米育种“吉林芯”，承载着种业振兴的希望，守护着国家粮食安全的底线。未来，随着技术的持续迭代、成果的持续推广，吉林玉米种业将持续夯实自主创新能力，培育出更多适配本土、高产优质的突破性玉米新品种，以科技赋能农业高质量发展，为保障国家粮食安全持续贡献力量。