中国作物分子育种现状与发展前景

中国作物分子育种现状与发展前景 中国作物分子育种现状与发展前景 作物ACTAAGRONOMICASINICA ISSN0496—3490;CODENTSHPA9 :xbzw@chinajourna1.net.CB DOI:10.3724/SP.J.1006.2010.014255夸?59 l;综述; 6;,0,s/s,,!,? 中国作物分子育种现状与发展前景 黎裕王建康邱丽娟马有志李新海万建民 中国农业科学院作物科学研究所/农作物基因资源与基因改良国家重大科学T程,北京100081 摘要:近年来,随着基因组测序等多种技术实现突破,基因组学,表型组学等多门"组学"及生物信息学得到迅猛发 展,作物育种理论和技术也发生了重大变革.以分子标记育种,转基因育种,分子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 育种为代表的现代作物分子 育种技术逐渐成为了全世界作物育种的主流,在我国也正在成为作物遗传改良的重要手段.本文在界定分子育种的 基础上,简要分析了中国作物分子育种研究现状和面临的问题,探讨了未来我国作物分子育种的发展策略. 关键词:作物;分子标记育种;转基因育种;分子设计育种;战略 CropMolecularBreedinginChina:CurrentStatusandPerspectives LIYu,WANGJian—Kang,QIULi.Juan,MAYou—Zhi,LIXin—Hai,andWANJian—Min InstituteofCropSciences/NationalKeyFacilityforCropGeneResourcesandGeneticImpro vement,ChineseAcademyofAgriculturalSciences, Beijing100081,China Abstract:Withsometechnologicalbreakthroughssuchassequencingandmicroarrayinther ecentyears,genomics,transcrip— tomics.proteomics.metabolomicsandphenomicshavemadeagreatprogressintheWO订 d.Theoriesandtechnologiesofcrop breedinghavealSObeenrevolutionarizedconsiderably~Traditionalcropbreedingisbasedonphenotypicselection,whichisoften called"empiricalbreeding"withpoorpredictability,1ongbreedingcycleandlowbreedinge币ciency.Modemcropmolecular breedingincludingmarker-assistedbreeding.transgenicbreedingandmoleculardesignbreedinghasbecomeanimportantdirec— tioninthefieldofplantbreeding.Itisbasedonthecombinationofgenotypicselectionandphenotypicselectionandthustarget genes/allelesCanbed~ecflyselectedandpyramided.Therefore.theefficiencyofmolecularbreedingcanbeimprovedandthe breedingdurationCanbeshortened.ThePaperdefinestheconceptofmolecularbreeding,brieflyanalyzescurrentStamSandis— suesofcropmolecularbreedinginChina,anddiscussesstrategiesinthefuture. Keywords:Crop;Molecularbreeding;Marker-assistedbreeding;Transgenicbreeding;Moleculardesignbreeding;Strategy 在20世纪之前,作物育种基本上是一种"艺术"; 在孟德尔遗传学规律发现后,育种家们才逐渐把 "科学"融人"艺术"之中f1].在传统育种中,基本上是 对表现型进行直接选择,因此常常又被称为"经验 育种",一般存在周期长,效率低等缺点l2】.近20年 来,随着分子生物学和基因组学等新兴学科的飞速 发展,使育种家对基因型进行直接选择成为可能, 作物分子育种因此应运而生.分子育种就是把表现 型和基因型选择结合起来的一种作物遗传改良理论 和方法体系,可实现基因的直接选择和有效聚合, 大幅度提高育种效率,缩短育种年限【3】,在提高产 量,改善品质,增强抗性等方面已显示出巨大潜力, 成为现代作物育种的主要方向【4】. 1作物分子育种的界定与范畴 作物分子育种,即在经典遗传学和分子生物学 等理论指导下,将现代生物技术手段整合于传统育 种方法中,实现表现型和基因型选择的有机结合, 培育优良新品种【5】.根据分子手段参与形式的不同, 分子育种可分为以下几种主要类型.其基本框架见 图1. 1.1分子标记育种 分子标记育种又称为分子标记辅助选择,是利 用与目标基因紧密连锁的分子标记,在杂交后代中 准确鉴别不同个体的基因型,从而进行辅助选择育 种.因此,分子标记育种能有效地结合基因型与表 本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2O06AA1O0101)资助. 通讯作者(c0盯espondingauthor):万建民,E-mail:wanjm@caas.net.ca,Tel:010— 82108563 Received(收稿日期):2010-06.28;Accepted(接受日期):2010.07—05. 作物第36卷 种质资源 满足生产需求的突破性新品种 图1作物分子育种框架图 Fig.1Framediagramofmolecularbreedingincrops 作 现型鉴定,显着提高选择的准确性和育种效率. 迄今为止,分子标记育种涉及的性状多为质量性 状,涉及到的基因多为单基因或少数几个基因l6一】.对 于数量性状来说,QTL表达常与环境和遗传背景密 切相关,因此QTL检测往往稳定性差,检测到的 QTL难以用于育种实践】.针对目前分子标记育种 效率还不太高等问题,Collard等】和Xu等嘶在深入 分析其原因的基础上,提出了一些对策.例如,利用 近等基因系进行育种[2],或利用高代回交系同时进 行QTL分析(AB.QTL)和遗传改良【ln】,可提高分 子标记育种效率.在AB—QTL方法的基础上,Li等【l 提出在BC或BC3代进行高强度选择后构建导人系, 可同时开展QTL研究和高效的分子标记育种.ttl:~,b, Podlich等【1引提出了MAYG策略,认为在QTL定位 的过程中,充分考虑育种群体的具体情况,检测到 的QTL应用价值更大.Heffner等【1】提出全基因组 选择技术(genomicselection)来解决多基因控制的低 遗传力性状的改良问题,利用全基因组标记来准确 估计育种值,从而加速育种进程. 1.2转基因育种 转基因育种是利用重组DNA技术,将功能明 确的基因通过遗传转化手段导人受体品种的基因组,并使其表达期望性状的育种方法.由于克隆的基因 可来自任何物种,所以转基因育种能打破基因在不 同物种间交流的障碍,克服传统育种方法难以解决 的问题. 在转基因育种中,尽管近年来发表了大量的相 关论文,申请了大量专利,但很少基因进入田问测 试来评估其在目标作物中的育种利用价值,有商业 利用价值的基因更少].要特别提到的是,转基因 育种必须与传统育种和分子标记育种相结合『1.同 时,还需要特别关注转基因作物及其产品的安全性 问题j. 1.3分子设计育种 作物分子设计育种最初由荷兰科学家提出】, 其目的是通过各种技术的集成与整合,在育种家的 田问试验之前,对育种程序中的各种因素进行模 拟,筛选和优化,确立目标基因型,提出最佳的亲 本选配和后代选择策略,提高育种过程中的预见性. 开展分子设计育种一般包括以下步骤:(1)找到育种 目标性状的基因/QTL或其紧密连锁标记;(2)~lJ用 QTL位置,遗传效应,QTL之间的互作,QTL与环 境之间的互作等信息,模拟和预测各种可能基因型 组合的表现型,从中选择符合特定育种目标的基因 型;(3)进行目标基因型的途径分析,制定育种方案; (4)根据制定的育种方案进行育种,在此过程中合理 应用分子标记育种,转基因育种和传统育种技术, 实现预期目标[19-21】.由此看来,可把分子设计育种 看成分子育种的高级形式.全基因组选择技术也可 认为是分子设计育种的组成部分. 2中国作物分子育种现状 近十余年来,在国家高技术研究发展计划(863 计划),国家重点基础研究发展计~1](973计划),转基 因生物新品种培育重大科技专项,国家自然科学基 金等项目的资助下,我国在新基因发掘,分子标记 育种,转基因育种,分子设计育种等领域取得了重 要进展. 2.1新基因发掘已进入快速发展阶段 我国拥有丰富的作物种质资源,为高效发掘和 利用优异基因奠定了物质基础.目前,对水稻,小 麦,玉米,大豆,谷子,黍稷,燕麦,绿豆,豌豆, 红小豆,花生,大白菜,甜菜等作物的种质资源进 行了表型多样性和遗传多样性研究,在此基础上建 立了核心种质.利用各种自然群体和人工群体,标 记和定位了一大批基因.据不完全统计,到目前为 止,我国科研工作者共定位与作物性状相关的基因 992个;根据性状分类,抗病虫基因200个,抗非生 物胁迫基因66个,品质相关基因211个,产量相关 基因83个,育性相关基因51个,与生理发育有关的 基因381个.在此基础上,对部分重要基因和主效 QTL进行了精细作图和克隆.迄今为止,我国共克 隆农作物性状相关的基因364个,其中抗病虫基因 47个,抗非生物胁迫基因101个,品质相关基因61 个,产量相关基因11个,育性相关基因18个,与生 第9期黎裕等:中周作物分子育种现状与发展前景 理发育有关的基因126个.以上事实表明,新基因 发掘已进入快速发展阶段. 2.2分子标记育种已进入实用阶段 近年来,我国在主效基因分子标记育种技术,多基因聚合育种技术和全基因组选择技术方面均有 重要进展.在大规模开发实用分子标记的基础上, 通过分子标记育种与传统育种技术相结合,已选育 出一批优质抗病虫水稻等作物育种新材料和新品 种.其中主要涉及的有抗病基因如Xa4,Xa21,Xa23, R—sb2t,Pil,Pi—J,Pf一2,Pf.2,Pf一33,R—sbzt等,品 质相关基因Wx,育性相关基因Rf5和抽穗期相关基 因等引.除水稻外,其他作物的分子标记育种也 有一定进展,但尚未培育出生产上应用的品种. 2.3转基因育种进入迅猛发展阶段 经过20多年的努力,我国已建立完善了规模化 的水稻,棉花遗传转化技术体系,以基因枪,农杆 菌介导或花粉管通道等转化技术为主的玉米,大豆 和小麦转基因技术体系也已逐步成熟.例如,水稻 转化效率从40%提高到83%,具备了年转化5000 个基因的能力.利用这些转基因技术体系,培育出 抗病虫,抗逆,品质改良,抗除草剂等转基因水稻, 玉米,小麦,大豆,棉花,油菜新品系和新品种400 多个.抗棉铃虫的转基因抗虫棉实现了产业化,1998 年国产抗虫棉品种应用以来,已经累计推广种植 1700万公顷以上,有效控制了棉铃虫的危害,而且 每年减少农药用量1.0,1.5万吨.抗虫转基因水稻 "华恢1号"和"Bt汕优63"高抗多种虫害,2009年获 得"生产应用安全证书".高效表达植酸酶的转基因 玉米具有环境友好,能源节约,有利健康,高产优 质的显着特点,技术水平达到国际同类领先水平, 已经具备了产业化条件.抗黄花叶病小麦,抗旱小 麦f2,抗虫玉米,抗旱玉米,抗除草剂水稻和大豆 等的转基因育种均取得了突破性进展. 2.4分子设计育种处于起步发展阶段 我国作物分子设计育种已取得一定进展.例如, 在国际上首次研制出可以模拟复杂遗传模型和育种 过程的计算机软件QuLine,可模拟的育种方法包括 系谱法,混合法,回交育种,一粒传,加倍单倍体, 以及各种修饰育种方法和各种方法的组合[之刚.目 前QuLine软件已广泛应用于不同育种方法的比较, 研究显性和上位性选择效应,利用已知基因信息预 测杂交后代的表型,以及分子标记辅助选择过程的 优化等.此外,初步研制出杂交种育种模拟工具 QuHybrid,可用于杂交种育种策略的模拟和优化, 不同杂交种育种方案的比较.初步研制出模拟标记 辅助轮回选择模拟工具QuMARS,可回答轮回选择 与标记辅助选择的结合过程中遇到的一些问题,如 利用多少标记对数量性状进行选择,轮回选择过程 中适宜的群体大小,轮回选择经历多少个周期就可 以停止等等.此外,应用计算机模拟等技术对亲本 选配,后代选择等进行研究,初步构建了作物分子 设计育种技术体系[1. 3作物分子育种发展趋势及我国存在的问 题 3.1发展趋势 3.1.1完善的体系构建已成为分子育种的重要途径 在作物分子育种中,从种质资源到新基因发掘, 再到品种培育及其产业化,是一个完整的链条.在 Et本,由国家研究机构,地区研究机构和公司联合 形成作物分子育种工作体系.在美国和欧洲等西方 国家的跨国公司里,尽管各个环节各有其不同的重 但通过提高育种效率来高效培育突破 点研发 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 , 性新品种并实现产业化的目标却贯穿始终,各环节 问实现无缝链接,开展多环节一体化定向研究,形 成了"基础研究,标记开发,基因克隆,遗传转化, 品种培育,产品推广"的完整产业技术研发体系. 从技术层面讲,分子育种有机结合了表现型选 择和基因型选择,与传统育种并不矛盾,是传统育 种的升级.因此,在充分发挥传统育种优势的基础 上,整合各种分子育种技术【2】,构建作物分子育种 技术体系,成为了国际上分子育种的大趋势.一方 面,在全方位了解重要性状形成的分子机制的基础 上,建立高通量的新基因发掘技术体系,为分子标 记育种提供实用标记,为转基因育种提供基因,为 分子设计育种提供信息支撑;另一方面,分子标记 育种技术体系,转基因育种技术体系和分子设计育 种技术体系需要有机结合,互为补充,共同构筑作 物分子育种技术体系. 3.1.2规模化的分子育种已成为分子育种的发展方 向随着基因组学的快速发展,重要基因的规模 化发掘已成为现实.在上世纪的100年间,小麦遗 传连锁图定位的标记和基因仅有约800个,之后不 到10年猛增到3000个,玉米从1200个增至4500 个.美国杜邦公司在2007年就对600个玉米自交系 的10000个位点进行分析,建立了高密度SNP单倍 作物第36卷 型图谱,并克隆多个控制重要农艺性状基因.在多 种作物上均已开始关联分析平台建设,对大量复杂 性状进行全面遗传解析,发掘重要功能标记和基因, 直接为育种服务.在分子标记育种中,由于设施条 件的不断优化完善,在一年中对几十万个单株进行 基因型鉴定已成为现实,从而大大提高了育种效 率.在遗传转化方面,美国孟山都公司等跨国公司 致力于通过多种单项转基因技术的集成创新,建立 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化,工厂化和流水线式基因转化体系,年产转 基因植株可达几十万株,为规模化的转基因育种提 供了条件. 3.1.3知识产权与分子育种的关系越来越密切 主要体现在以下两方面:(1)尽管种质资源不能申请 专利保护,但从中获得的基因,调控元件和标记可 以具有知识产权.因此,世界各国尤其是发达国家 的跨国公司利用其技术优势抢先注册知识产权,给 自身的分子育种保驾护航.例如,孟山都从上海野 生大豆中发掘高产QTL相关的64项内容在101个 国家申请了专利保护,美国RiceTec公司的一项专 利获得了有关印度香米的20项权利要求,导致印度 香米每年损失达3亿美元以上.(2)有些分子育种技 术特别是新型突破性技术,其中包括一些载体技 术,标记技术和转基因技术等,甚至一些软件也申 请了专利.由此可见,知识产权问题在分子育种中 越来越突出. 3.2挑战与问题 我国作物分子育种研究取得了较大进展(如在 水稻上口副),但由于起步相对较晚,资金投入不足, 总体研究薄弱,与先进国家相比尚存在较大差距, 主要表现在以下几个方面. 3.2.1基因资源挖掘力度亟待加强我国国家种 质库和种质圃已保存作物种质资源39.8万份,但缺 乏对这些种质资源的遗传多样性分析,精准表型鉴 定和基因型鉴定.每份种质资源中所含的基因和等 位基因变异尚不清楚,不同等位基因的频率,分布 和效应更无从得知,这已成为开发标记,克隆基因 和设计品种的瓶颈.因此,挖掘新基因和寻找优异 等位基因是今后的研究重点. 3.2.2实用分子标记和具重要育种价值的基因十分 贫乏尽管我国在新基因发掘方面取得了很大成 绩,但还远远不能满足作物分子育种的需求.一方 面,满足目前和未来育种目标的实用分子标记很少, 限制了在分子标记育种中的广泛应用;另一方面, 具有自主知识产权的基因很少,阻碍了转基因育种 的持续发展.此外,作物基因组学研究仍相对薄弱, 基因功能研究欠缺,基因与基因,基因与环境互作 机制了解不多,极大影响了分子设计育种的进一步 发展. 3.2.3作物分子育种技术尚待突破首先,作物 分子育种新技术新方法创新能力亟待提高,因为目 前国际上普遍使用的分子育种相关技术基本上发端 于国外,跨国公司拥有多数分子育种技术的专利. 其次,分子育种的高效化和规模化的问题没有得到 根本解决,例如还没有建立高效的多性状多基因聚 合技术,规模化基因型鉴定技术,多种作物的高效 转化技术,并且国内的分子育种单位小而散,小而 全,难以集中优势进行突破.第三,分子手段与传统 育种技术尚需有机结合,作物育种理论和育种技术 创新能力弱,特别缺乏品质,产量,抗性协调改良 的基础理论和高效育种技术.此外,近年来基因组 学研究过程中产生的海量信息(包括基因结构和功 能,标记,表型,系谱等)还没有得到有效整合与集 成创新,对控制重要性状的基因/QTL,基因,QTL间 及其与环境互作的遗传和分子基础了解不全面,不 系统,导致从基因型到表现型的预测准确度不高, 分子设计育种的实际应用还有待时日. 3.2.4通过分子育种培育的突破性品种不多,产业 化程度不高目前,我国应用分子标记技术育成 的品种很少,应用转基因技术育成的品种及其产业 化仅集中在棉花上,并且利用的目标基因单一.尽 管我国已找到了一批标记,克隆了一批基因,但由 于尚未建立规模化,工厂化的分子育种技术平台和 条件平台,缺少 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的,精准的特性鉴定体系,使标 记和基因在目标作物中的育种应用潜力评估滞后, 限制了基因资源在育种中的高效利用.总体来看, 我国通过分子育种培育的突破性新品种还不能满足 农业生产对品种的要求,产业化应用亟待加强. 3.2.5作物分子育种的组织体系和实施机制需要创 新在我国,目前的作物分子育种队伍较为分散, 零星存在于农业大学和科研机构,不能有效地凝聚 成合力.同时,我国缺少大规模,高效率的国家级 分子育种平台,致使分子育种效率较低.例如,我国 的分子标记育种和转基因育种多处于小规模实验性 研究状态,仍未采用大规模,工厂化的育种模式. 由此可见,除了加强对作物分子育种的经费资 助强度外,我国需要创新作物分子育种组织实施机 第9期黎裕等:中同作物分子育种现状与发展前景 制.例如,鼓励种子企业从事分子育种,建立一流生 物技术企业的孵化机制;建立知识产权保护和资源 共享机制,建立上中下游结合,产学研用联合的实 施机制,实行政府引导,企业主导和市场运作的产 业化运行模式等. 4发展战略与展望 4.1发展作物分子育种是保障国家安全的重大 需求 随着人口增加和人民生活水平的提高,我国粮 食需求呈刚性增长的态势.据测算,我国要保障 2020年14.5亿人口的粮食安全,需在现有基础上增 长稻谷10%,玉米50%,小麦28%,大豆120%. 然而,我国农业资源匮乏,人均耕地面积不足世界 人均水平的1/3,人均水资源占有量仅为世界平均 水平的1/4;同时,我国自然灾害频发,全球气候变 化使其更加严重,例如常年农作物受旱面积约1500 万公顷以上,每年损失粮食近158亿千克,占各种 自然灾害损失总量的60%.此外,农药,化肥年用 量分别达120万吨和4000万吨,分别是美国的4倍 和2倍(而我国耕地面积不到美国的2/3),利用率仅 为30%和35%,大量施用化肥和农药造成了水系和 耕地环境污染,制约了农业可持续发展.因此,在保 障现有耕地面积的前提下,只有依靠大幅度提高作 物单产,才能确保我国粮食的安全供给.据分析,在 我国,品种对总产提高的贡献为40%左右,而发达 国家达到50%以上,因此,培育突破性的作物新品 种是满足农产品刚性需求的重要途径.由于传统育 种工作依赖于育种家的经验和机遇,往往存在很大 的盲目性和不可预测性,而分子育种能显着提高育 种效率,为保障我国粮食安全,生态安全提供更强 有力的技术支撑. 4.2全面实现作物分子育种相关技术的突破 4.2.1进一步重视分子育种相关基础和应用基础研 究深入研究重要经济性状形成的遗传和分子基 QTL与基因/QTL,基因/QTL 础,了解重要性状基因/ 与环境的互作关系,阐明基因在种质资源中的各种 等位变异类型及其遗传效应;加强基因组学,转录 组学,蛋白组学,代谢组学和表型组学等研究,应 用大规模,高通量的基因鉴定技术,获得一批重要 性状基因标记,快速克隆一批具有我国自主知识产 权的有利用价值的新基因,明确基因的功能,大幅 度拓展可资利用的基因源,为分子标记育种,转基 因育种和分子设计育种提供标记,基因和其它遗传 信息. 4.2.2加强分子育种技术的原始创新发展高效 的分子标记育种,转基因育种和分子设计育种新技 术,突破复杂性状遗传改良上的技术瓶颈.例如,发 展基于基因组序列的重要性状功能标记大规模开发 技术和基因高通量克隆技术【2训,解决实用分子标记 和有重要育种价值的基因缺乏的重大问题.突破分 子标记育种中的多基因聚合技术,转基因育种中的 高通量基因克隆,基因高效表达,多基因转化f3刚, 人工染色体[311及安全转化等技术,分子设计育种中 的育种模拟和全基因组选择等技术,以进一步提高 作物分子育种效率. 4.2.3加快作物分子育种体系建设作物分子育 种是一个系统 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 .要大幅度提高分子育种效率, 必须在现有基础上,通过整合资源,实现优势互补, 进一步加强分子育种条件平台,人才队伍,技术开 发和产业应用的体系化建设,实现上中下游的紧密 结合,实现分子手段与常规育种的紧密结合,实现 基地,人才和研发的紧密结合,不断完善作物分子 育种体系. 4.3加速作物分子育种的研发和产业化 应充分利用我国丰富的作物基因资源,立足于 国家粮食安全与农业可持续发展的重大需求,重点 开展农作物基因资源和重要性状形成的遗传和分子 生物学理论基础研究,实现作物分子育种的重大科 学突破;整合上,中,下游科技资源,大规模开展新 基因发掘,通过包括分子标记育种,转基因育种和 分子设计育种在内的分子育种技术的原始创新,构 筑作物分子育种技术体系,从材料创制,品种选育 及产业化3个层次实现重点突破,不断促进我国主 要农作物育种技术升级和产业发展. 由于科学,经济和社会等多方面原因,作物分 子育种的推广应用在不同作物间和不同单位间还存 在很大的差异.因此,一方面应通过分子育种的原 始创新,逐步解决各种重大科学问题和技术难题, 克服分子育种成本尤其是开发成本相对较高的困 难.另一方面,应通过技术培训和科普宣传,积极推 动公众对分子育种特别是转基因育种的科学认知, 在保护知识产权保护的基础上,加速作物分子育种 的产业化进程J. 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