作物育種理論與技術(shù)的變革

作物育種理論與技術(shù)的變革

20世紀(jì)之前，植物的繁殖基本上是一種“藝術(shù)”。在發(fā)現(xiàn)了孟德爾的遺傳規(guī)律后，育種家逐漸將“科學(xué)”融入到“藝術(shù)”中。在傳統(tǒng)育種中,基本上是對表現(xiàn)型進行直接選擇,因此常常又被稱為“經(jīng)驗育種”,一般存在周期長、效率低等缺點。近20年來,隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)等新興學(xué)科的飛速發(fā)展,使育種家對基因型進行直接選擇成為可能,作物分子育種因此應(yīng)運而生。分子育種就是把表現(xiàn)型和基因型選擇結(jié)合起來的一種作物遺傳改良理論和方法體系,可實現(xiàn)基因的直接選擇和有效聚合,大幅度提高育種效率,縮短育種年限,在提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)、增強抗性等方面已顯示出巨大潛力,成為現(xiàn)代作物育種的主要方向。1利用現(xiàn)代生物技術(shù)手段培育優(yōu)良新品種作物分子育種,即在經(jīng)典遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等理論指導(dǎo)下,將現(xiàn)代生物技術(shù)手段整合于傳統(tǒng)育種方法中,實現(xiàn)表現(xiàn)型和基因型選擇的有機結(jié)合,培育優(yōu)良新品種。根據(jù)分子手段參與形式的不同,分子育種可分為以下幾種主要類型。其基本框架見圖1。1.1新基因的遺傳多樣性及擴增效率分子標(biāo)記育種又稱為分子標(biāo)記輔助選擇,是利用與目標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記,在雜交后代中準(zhǔn)確鑒別不同個體的基因型,從而進行輔助選擇育種。因此,分子標(biāo)記育種能有效地結(jié)合基因型與表現(xiàn)型鑒定,顯著提高選擇的準(zhǔn)確性和育種效率。迄今為止,分子標(biāo)記育種涉及的性狀多為質(zhì)量性狀,涉及到的基因多為單基因或少數(shù)幾個基因。對于數(shù)量性狀來說,QTL表達常與環(huán)境和遺傳背景密切相關(guān),因此QTL檢測往往穩(wěn)定性差,檢測到的QTL難以用于育種實踐。針對目前分子標(biāo)記育種效率還不太高等問題,Collard等和Xu等在深入分析其原因的基礎(chǔ)上,提出了一些對策。例如,利用近等基因系進行育種,或利用高代回交系同時進行QTL分析(AB-QTL)和遺傳改良,可提高分子標(biāo)記育種效率。在AB-QTL方法的基礎(chǔ)上,Li等提出在BC2或BC3代進行高強度選擇后構(gòu)建導(dǎo)入系,可同時開展QTL研究和高效的分子標(biāo)記育種。此外,Podlich等提出了MAYG策略,認為在QTL定位的過程中,充分考慮育種群體的具體情況,檢測到的QTL應(yīng)用價值更大。Heffner等提出全基因組選擇技術(shù)(genomicselection)來解決多基因控制的低遺傳力性狀的改良問題,利用全基因組標(biāo)記來準(zhǔn)確估計育種值,從而加速育種進程。1.2以基因為來源的基因測量方法轉(zhuǎn)基因育種是利用重組DNA技術(shù),將功能明確的基因通過遺傳轉(zhuǎn)化手段導(dǎo)入受體品種的基因組,并使其表達期望性狀的育種方法。由于克隆的基因可來自任何物種,所以轉(zhuǎn)基因育種能打破基因在不同物種間交流的障礙,克服傳統(tǒng)育種方法難以解決的問題。在轉(zhuǎn)基因育種中,盡管近年來發(fā)表了大量的相關(guān)論文、申請了大量專利,但很少基因進入田間測試來評估其在目標(biāo)作物中的育種利用價值,有商業(yè)利用價值的基因更少。要特別提到的是,轉(zhuǎn)基因育種必須與傳統(tǒng)育種和分子標(biāo)記育種相結(jié)合。同時,還需要特別關(guān)注轉(zhuǎn)基因作物及其產(chǎn)品的安全性問題。1.3落后選擇策略、提高育種過程中的預(yù)見性作物分子設(shè)計育種最初由荷蘭科學(xué)家提出,其目的是通過各種技術(shù)的集成與整合,在育種家的田間試驗之前,對育種程序中的各種因素進行模擬、篩選和優(yōu)化,確立目標(biāo)基因型、提出最佳的親本選配和后代選擇策略、提高育種過程中的預(yù)見性。開展分子設(shè)計育種一般包括以下步驟:(1)找到育種目標(biāo)性狀的基因/QTL或其緊密連鎖標(biāo)記;(2)利用QTL位置、遺傳效應(yīng)、QTL之間的互作、QTL與環(huán)境之間的互作等信息,模擬和預(yù)測各種可能基因型組合的表現(xiàn)型,從中選擇符合特定育種目標(biāo)的基因型;(3)進行目標(biāo)基因型的途徑分析,制定育種方案;(4)根據(jù)制定的育種方案進行育種,在此過程中合理應(yīng)用分子標(biāo)記育種、轉(zhuǎn)基因育種和傳統(tǒng)育種技術(shù),實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。由此看來,可把分子設(shè)計育種看成分子育種的高級形式。全基因組選擇技術(shù)也可認為是分子設(shè)計育種的組成部分。2我國生物基因型基因育種主要進展近十余年來,在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)、轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大科技專項、國家自然科學(xué)基金等項目的資助下,我國在新基因發(fā)掘、分子標(biāo)記育種、轉(zhuǎn)基因育種、分子設(shè)計育種等領(lǐng)域取得了重要進展。2.1我國作物形態(tài)相關(guān)基因的認識我國擁有豐富的作物種質(zhì)資源,為高效發(fā)掘和利用優(yōu)異基因奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前,對水稻、小麥、玉米、大豆、谷子、黍稷、燕麥、綠豆、豌豆、紅小豆、花生、大白菜、甜菜等作物的種質(zhì)資源進行了表型多樣性和遺傳多樣性研究,在此基礎(chǔ)上建立了核心種質(zhì)。利用各種自然群體和人工群體,標(biāo)記和定位了一大批基因。據(jù)不完全統(tǒng)計,到目前為止,我國科研工作者共定位與作物性狀相關(guān)的基因992個;根據(jù)性狀分類,抗病蟲基因200個,抗非生物脅迫基因66個,品質(zhì)相關(guān)基因211個,產(chǎn)量相關(guān)基因83個,育性相關(guān)基因51個,與生理發(fā)育有關(guān)的基因381個。在此基礎(chǔ)上,對部分重要基因和主效QTL進行了精細作圖和克隆。迄今為止,我國共克隆農(nóng)作物性狀相關(guān)的基因364個,其中抗病蟲基因47個,抗非生物脅迫基因101個,品質(zhì)相關(guān)基因61個,產(chǎn)量相關(guān)基因11個,育性相關(guān)基因18個,與生理發(fā)育有關(guān)的基因126個。以上事實表明,新基因發(fā)掘已進入快速發(fā)展階段。2.2抗病品種選育近年來,我國在主效基因分子標(biāo)記育種技術(shù)、多基因聚合育種技術(shù)和全基因組選擇技術(shù)方面均有重要進展。在大規(guī)模開發(fā)實用分子標(biāo)記的基礎(chǔ)上,通過分子標(biāo)記育種與傳統(tǒng)育種技術(shù)相結(jié)合,已選育出一批優(yōu)質(zhì)抗病蟲水稻等作物育種新材料和新品種。其中主要涉及的有抗病基因如Xa4、Xa21、Xa23、R-sb2t、Pil、Pi-1、Pi-2、Pi-25、Pi-33、R-sbzt等,品質(zhì)相關(guān)基因Wx、育性相關(guān)基因Rf5和抽穗期相關(guān)基因等。除水稻外,其他作物的分子標(biāo)記育種也有一定進展,但尚未培育出生產(chǎn)上應(yīng)用的品種。2.3植酸酶在生物基因型基因檢測能力提高,實現(xiàn)了“從普及開始培養(yǎng)、提高和提高”的基經(jīng)過20多年的努力,我國已建立完善了規(guī)?；乃?、棉花遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)體系,以基因槍、農(nóng)桿菌介導(dǎo)或花粉管通道等轉(zhuǎn)化技術(shù)為主的玉米、大豆和小麥轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系也已逐步成熟。例如,水稻轉(zhuǎn)化效率從40%提高到83%,具備了年轉(zhuǎn)化5000個基因的能力。利用這些轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系,培育出抗病蟲、抗逆、品質(zhì)改良、抗除草劑等轉(zhuǎn)基因水稻、玉米、小麥、大豆、棉花、油菜新品系和新品種400多個?？姑掴徬x的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,1998年國產(chǎn)抗蟲棉品種應(yīng)用以來,已經(jīng)累計推廣種植1700萬公頃以上,有效控制了棉鈴蟲的危害,而且每年減少農(nóng)藥用量1.0~1.5萬噸?？瓜x轉(zhuǎn)基因水稻“華恢1號”和“Bt汕優(yōu)63”高抗多種蟲害,2009年獲得“生產(chǎn)應(yīng)用安全證書”。高效表達植酸酶的轉(zhuǎn)基因玉米具有環(huán)境友好、能源節(jié)約、有利健康、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的顯著特點,技術(shù)水平達到國際同類領(lǐng)先水平,已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化條件。抗黃花葉病小麥、抗旱小麥,抗蟲玉米、抗旱玉米、抗除草劑水稻和大豆等的轉(zhuǎn)基因育種均取得了突破性進展。2.4模擬標(biāo)記輔助選擇過程模擬我國作物分子設(shè)計育種已取得一定進展。例如,在國際上首次研制出可以模擬復(fù)雜遺傳模型和育種過程的計算機軟件QuLine,可模擬的育種方法包括系譜法、混合法、回交育種、一粒傳、加倍單倍體、以及各種修飾育種方法和各種方法的組合。目前QuLine軟件已廣泛應(yīng)用于不同育種方法的比較,研究顯性和上位性選擇效應(yīng),利用已知基因信息預(yù)測雜交后代的表型,以及分子標(biāo)記輔助選擇過程的優(yōu)化等。此外,初步研制出雜交種育種模擬工具QuHybrid,可用于雜交種育種策略的模擬和優(yōu)化、不同雜交種育種方案的比較。初步研制出模擬標(biāo)記輔助輪回選擇模擬工具QuMARS,可回答輪回選擇與標(biāo)記輔助選擇的結(jié)合過程中遇到的一些問題,如利用多少標(biāo)記對數(shù)量性狀進行選擇,輪回選擇過程中適宜的群體大小,輪回選擇經(jīng)歷多少個周期就可以停止等等。此外,應(yīng)用計算機模擬等技術(shù)對親本選配、后代選擇等進行研究,初步構(gòu)建了作物分子設(shè)計育種技術(shù)體系。3作物育種的發(fā)展趨勢以及中國的問題3.1發(fā)展趨勢3.1.1構(gòu)建表面活性劑和核心分子育種技術(shù)體系在作物分子育種中,從種質(zhì)資源到新基因發(fā)掘,再到品種培育及其產(chǎn)業(yè)化,是一個完整的鏈條。在日本,由國家研究機構(gòu)、地區(qū)研究機構(gòu)和公司聯(lián)合形成作物分子育種工作體系。在美國和歐洲等西方國家的跨國公司里,盡管各個環(huán)節(jié)各有其不同的重點研發(fā)內(nèi)容,但通過提高育種效率來高效培育突破性新品種并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)卻貫穿始終,各環(huán)節(jié)間實現(xiàn)無縫鏈接,開展多環(huán)節(jié)一體化定向研究,形成了“基礎(chǔ)研究、標(biāo)記開發(fā)、基因克隆、遺傳轉(zhuǎn)化、品種培育、產(chǎn)品推廣”的完整產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)體系。從技術(shù)層面講,分子育種有機結(jié)合了表現(xiàn)型選擇和基因型選擇,與傳統(tǒng)育種并不矛盾,是傳統(tǒng)育種的升級。因此,在充分發(fā)揮傳統(tǒng)育種優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,整合各種分子育種技術(shù),構(gòu)建作物分子育種技術(shù)體系,成為了國際上分子育種的大趨勢。一方面,在全方位了解重要性狀形成的分子機制的基礎(chǔ)上,建立高通量的新基因發(fā)掘技術(shù)體系,為分子標(biāo)記育種提供實用標(biāo)記,為轉(zhuǎn)基因育種提供基因,為分子設(shè)計育種提供信息支撐;另一方面,分子標(biāo)記育種技術(shù)體系、轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)體系和分子設(shè)計育種技術(shù)體系需要有機結(jié)合,互為補充,共同構(gòu)筑作物分子育種技術(shù)體系。3.1.2分子標(biāo)記育種隨著基因組學(xué)的快速發(fā)展,重要基因的規(guī)模化發(fā)掘已成為現(xiàn)實。在上世紀(jì)的100年間,小麥遺傳連鎖圖定位的標(biāo)記和基因僅有約800個,之后不到10年猛增到3000個,玉米從1200個增至4500個。美國杜邦公司在2007年就對600個玉米自交系的10000個位點進行分析,建立了高密度SNP單倍型圖譜,并克隆多個控制重要農(nóng)藝性狀基因。在多種作物上均已開始關(guān)聯(lián)分析平臺建設(shè),對大量復(fù)雜性狀進行全面遺傳解析,發(fā)掘重要功能標(biāo)記和基因,直接為育種服務(wù)。在分子標(biāo)記育種中,由于設(shè)施條件的不斷優(yōu)化完善,在一年中對幾十萬個單株進行基因型鑒定已成為現(xiàn)實,從而大大提高了育種效率。在遺傳轉(zhuǎn)化方面,美國孟山都公司等跨國公司致力于通過多種單項轉(zhuǎn)基因技術(shù)的集成創(chuàng)新,建立標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化和流水線式基因轉(zhuǎn)化體系,年產(chǎn)轉(zhuǎn)基因植株可達幾十萬株,為規(guī)?；霓D(zhuǎn)基因育種提供了條件。3.1.3分子育種技術(shù)方面主要體現(xiàn)在以下兩方面:(1)盡管種質(zhì)資源不能申請專利保護,但從中獲得的基因、調(diào)控元件和標(biāo)記可以具有知識產(chǎn)權(quán)。因此,世界各國尤其是發(fā)達國家的跨國公司利用其技術(shù)優(yōu)勢搶先注冊知識產(chǎn)權(quán),給自身的分子育種保駕護航。例如,孟山都從上海野生大豆中發(fā)掘高產(chǎn)QTL相關(guān)的64項內(nèi)容在101個國家申請了專利保護,美國RiceTec公司的一項專利獲得了有關(guān)印度香米的20項權(quán)利要求,導(dǎo)致印度香米每年損失達3億美元以上。(2)有些分子育種技術(shù)特別是新型突破性技術(shù),其中包括一些載體技術(shù)、標(biāo)記技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)等,甚至一些軟件也申請了專利。由此可見,知識產(chǎn)權(quán)問題在分子育種中越來越突出。3.2“水稻”的主要原因我國作物分子育種研究取得了較大進展(如在水稻上),但由于起步相對較晚,資金投入不足,總體研究薄弱,與先進國家相比尚存在較大差距,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。3.2.1基因型鑒定研究我國國家種質(zhì)庫和種質(zhì)圃已保存作物種質(zhì)資源39.8萬份,但缺乏對這些種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析、精準(zhǔn)表型鑒定和基因型鑒定。每份種質(zhì)資源中所含的基因和等位基因變異尚不清楚,不同等位基因的頻率、分布和效應(yīng)更無從得知,這已成為開發(fā)標(biāo)記、克隆基因和設(shè)計品種的瓶頸。因此,挖掘新基因和尋找優(yōu)異等位基因是今后的研究重點。3.2.2應(yīng)用分子標(biāo)記的限制盡管我國在新基因發(fā)掘方面取得了很大成績,但還遠遠不能滿足作物分子育種的需求。一方面,滿足目前和未來育種目標(biāo)的實用分子標(biāo)記很少,限制了在分子標(biāo)記育種中的廣泛應(yīng)用;另一方面,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基因很少,阻礙了轉(zhuǎn)基因育種的持續(xù)發(fā)展。此外,作物基因組學(xué)研究仍相對薄弱,基因功能研究欠缺,基因與基因、基因與環(huán)境互作機制了解不多,極大影響了分子設(shè)計育種的進一步發(fā)展。3.2.3缺乏高效育種技術(shù)首先,作物分子育種新技術(shù)新方法創(chuàng)新能力亟待提高,因為目前國際上普遍使用的分子育種相關(guān)技術(shù)基本上發(fā)端于國外,跨國公司擁有多數(shù)分子育種技術(shù)的專利。其次,分子育種的高效化和規(guī)?；膯栴}沒有得到根本解決,例如還沒有建立高效的多性狀多基因聚合技術(shù)、規(guī)?；蛐丸b定技術(shù)、多種作物的高效轉(zhuǎn)化技術(shù),并且國內(nèi)的分子育種單位小而散、小而全,難以集中優(yōu)勢進行突破。第三,分子手段與傳統(tǒng)育種技術(shù)尚需有機結(jié)合,作物育種理論和育種技術(shù)創(chuàng)新能力弱,特別缺乏品質(zhì)、產(chǎn)量、抗性協(xié)調(diào)改良的基礎(chǔ)理論和高效育種技術(shù)。此外,近年來基因組學(xué)研究過程中產(chǎn)生的海量信息(包括基因結(jié)構(gòu)和功能、標(biāo)記、表型、系譜等)還沒有得到有效整合與集成創(chuàng)新,對控制重要性狀的基因/QTL、基因/QTL間及其與環(huán)境互作的遺傳和分子基礎(chǔ)了解不全面、不系統(tǒng),導(dǎo)致從基因型到表現(xiàn)型的預(yù)測準(zhǔn)確度不高,分子設(shè)計育種的實際應(yīng)用還有待時日。3.2.4基因單一,無法實現(xiàn)育種高效利用目前,我國應(yīng)用分子標(biāo)記技術(shù)育成的品種很少,應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)育成的品種及其產(chǎn)業(yè)化僅集中在棉花上,并且利用的目標(biāo)基因單一。盡管我國已找到了一批標(biāo)記,克隆了一批基因,但由于尚未建立規(guī)?；?、工廠化的分子育種技術(shù)平臺和條件平臺,缺少規(guī)范的、精準(zhǔn)的特性鑒定體系,使標(biāo)記和基因在目標(biāo)作物中的育種應(yīng)用潛力評估滯后,限制了基因資源在育種中的高效利用。總體來看,我國通過分子育種培育的突破性新品種還不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對品種的要求,產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用亟待加強。3.2.5創(chuàng)新作物分子育種組織實施機制在我國,目前的作物分子育種隊伍較為分散,零星存在于農(nóng)業(yè)大學(xué)和科研機構(gòu),不能有效地凝聚成合力。同時,我國缺少大規(guī)模、高效率的國家級分子育種平臺,致使分子育種效率較低。例如,我國的分子標(biāo)記育種和轉(zhuǎn)基因育種多處于小規(guī)模實驗性研究狀態(tài),仍未采用大規(guī)模、工廠化的育種模式。由此可見,除了加強對作物分子育種的經(jīng)費資助強度外,我國需要創(chuàng)新作物分子育種組織實施機制。例如,鼓勵種子企業(yè)從事分子育種,建立一流生物技術(shù)企業(yè)的孵化機制;建立知識產(chǎn)權(quán)保護和資源共享機制,建立上中下游結(jié)合、產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合的實施機制,實行政府引導(dǎo)、企業(yè)主導(dǎo)和市場運作的產(chǎn)業(yè)化運行模式等。4發(fā)展戰(zhàn)略與展望4.1農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)必須要適應(yīng)最國家的氣候和氣候條件隨著人口增加和人民生活水平的提高,我國糧食需求呈剛性增長的態(tài)勢。據(jù)測算,我國要保障2020年14.5億人口的糧食安全,需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增長稻谷10%、玉米50%、小麥28%、大豆120%。然而,我國農(nóng)業(yè)資源匱乏,人均耕地面積不足世界人均水平的1/3,人均水資源占有量僅為世界平均水平的1/4;同時,我國自然災(zāi)害頻發(fā),全球氣候變化使其更加嚴(yán)重,例如常年農(nóng)作物受旱面積約1500萬公頃以上,每年損失糧食近158億千克,占各種自然災(zāi)害損失總量的60%。此外,農(nóng)藥、化肥年用量分別達120萬噸和4000萬噸,分別是美國的4倍和2倍(而我國耕地面積不到美國的2/3),利用率僅為30%和35%,大量施用化肥和農(nóng)藥造成了水系和耕地環(huán)境污染,制約了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此,在保障現(xiàn)有耕地面積的前提下,只有依靠大幅度提高作物單產(chǎn),才能確保我國糧食的安全供給。據(jù)分析,在我國,品種對總產(chǎn)提高的貢獻為40%左右,而發(fā)達國家達到50%以上,因此,培育突破性的作物新品種是滿足農(nóng)產(chǎn)品剛性需求的重要途徑。由于傳統(tǒng)育種工作依賴于育種家的經(jīng)驗和機遇,往往存在很大的盲目性和不可預(yù)測性,而分子育種能顯著提高育種效率,為保障我國糧食安全、生態(tài)安全提供更強有力的技術(shù)支撐。4.2全面實現(xiàn)食品育種相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新4.2.1基因等位變異及其遺傳效應(yīng)深入研究重要經(jīng)濟性狀形成的遺傳和分子基礎(chǔ),了解重要性狀基因/QTL與基因/QTL、基因/QTL與環(huán)境的互作關(guān)系,闡明基因在種質(zhì)資源中的各種等位變異類型及其遺傳效應(yīng);加強基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)和表型組學(xué)等研究,應(yīng)用大規(guī)模、高通量的基因鑒定技術(shù),獲得一批重要性狀基因標(biāo)記,快速克隆一批具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的有利用價值的新基因,明確基因的功能,大幅度拓展可資利用的基因源,為分子標(biāo)記育種、轉(zhuǎn)基因育種和分子設(shè)計育種提供標(biāo)記、基因和其它遺傳信息。4.2.2功能標(biāo)記的利用和完善發(fā)展高效的分子標(biāo)記育種、轉(zhuǎn)基因育種和分子設(shè)計育種新技術(shù),突破復(fù)雜性狀遺傳改良上的