核心提示
國以農為本，農以種為先。如何培育出優質高產的農業生物品種，是未來國家農業科技的(de)(de)重中之重。近年來(lai)，一種(zhong)(zhong)新(xin)的(de)(de)育種(zhong)(zhong)方(fang)式(shi)——分子(zi)育種(zhong)(zhong)，逐(zhu)漸成為(wei)(wei)了(le)全世界作(zuo)物(wu)(wu)育種(zhong)(zhong)的(de)(de)主流,在(zai)我國(guo)也正(zheng)在(zai)成為(wei)(wei)作(zuo)物(wu)(wu)遺傳改(gai)良的(de)(de)重要手段。分子(zi)育種(zhong)(zhong)與傳統育種(zhong)(zhong)方(fang)式(shi)有何不同？我國(guo)分子(zi)育種(zhong)(zhong)技(ji)術處于什么(me)樣的(de)(de)水平？未(wei)來(lai)這項(xiang)技(ji)術將在(zai)哪些領域(yu)首先傳出捷報？
今年上半年水稻種子行業沸沸揚揚的(de)消息，莫(mo)過于國內12家種企投資3億(yi)元，共建分子育(yu)種平臺(tai)。幾乎(hu)與此同時(shi)，中(zhong)科院(yuan)的(de)院(yuan)士專家也(ye)認定分子模塊(kuai)設計(ji)(ji)育(yu)種科技(ji)將是未來即將發生的(de)科技(ji)界(jie)的(de)大(da)事。分子模塊(kuai)設計(ji)(ji)育(yu)種科技(ji)究竟是什么(me)？我們應該如何看待這項已經悄然來到身(shen)邊(bian)的(de)技(ji)術(shu)？記者就此采訪了專家。
育種周期大幅度縮短基因直選實現精確育種
遼寧日報(bao)：王研究員您(nin)好，首先請(qing)教(jiao)您(nin)，植物分(fen)子育(yu)種與(yu)傳統的育(yu)種手段(duan)有(you)何區別？
王(wang)曉武：農作物的(de)馴化(hua)和(he)栽培是(shi)人類文(wen)明產(chan)生和(he)發展的(de)前提，農業的(de)可持續發展更是(shi)各國(guo)政府(fu)最重視的(de)領(ling)域之一(yi)。傳統的(de)以田間選擇(ze)為(wei)主的(de)育(yu)種(zhong)方法基本(ben)上是(shi)對表現(xian)型(具有特定基因型的(de)植物個體，在(zai)一(yi)定環境條件下，所(suo)表現(xian)出(chu)來的(de)一(yi)切性狀(zhuang)特征(zheng))進行直接(jie)選擇(ze)，因此常常又被稱為(wei)“經(jing)驗(yan)育(yu)種(zhong)”，一(yi)般存(cun)在(zai)周(zhou)期(qi)長、效率低等缺點。
近幾(ji)十年來，隨著(zhu)分(fen)子(zi)生物學和(he)基因(yin)(yin)組(zu)學等新(xin)(xin)興(xing)學科(ke)的飛速發展，使育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)專家(jia)對(dui)基因(yin)(yin)型進(jin)行(xing)直接選(xuan)(xuan)擇(ze)(ze)成(cheng)為可能(neng)，作(zuo)物分(fen)子(zi)育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)因(yin)(yin)此應運而生。分(fen)子(zi)育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)可實現基因(yin)(yin)的直接選(xuan)(xuan)擇(ze)(ze)和(he)有效(xiao)聚合，大幅度提高育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)效(xiao)率，縮(suo)(suo)短育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)年限，實現“精確育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)”。分(fen)子(zi)育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)在提高產量(liang)、改善品質、增強(qiang)抗(kang)性等方面(mian)已顯示出巨大潛力。比如，常規(gui)育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)需要7至(zhi)8代才能(neng)選(xuan)(xuan)出育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)材料，現代分(fen)子(zi)育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)技術能(neng)將其縮(suo)(suo)短到2至(zhi)3代，育(yu)(yu)(yu)(yu)種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)周期縮(suo)(suo)短為原來的1/4至(zhi)1/3，實現了快速、定向、高效(xiao)培育(yu)(yu)(yu)(yu)系統改良的作(zuo)物新(xin)(xin)品種(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)。
遼寧日報(bao)：作物分子育(yu)種有哪(na)幾種類型？
王曉武：狹義上講，分子育種只包括分子標記育種、分子設計育種。廣義上，分子育種也包括轉基因育種。
首(shou)先讓我們來談談分(fen)子(zi)(zi)標(biao)(biao)記(ji)育種(zhong)。分(fen)子(zi)(zi)標(biao)(biao)記(ji)育種(zhong)又稱為(wei)分(fen)子(zi)(zi)標(biao)(biao)記(ji)輔助選擇，是(shi)利(li)用與目標(biao)(biao)基因緊(jin)密連鎖的分(fen)子(zi)(zi)標(biao)(biao)記(ji)，在雜(za)交(jiao)后(hou)代中準確鑒別不同個體的基因型(xing)，從而進行輔助選擇育種(zhong)。
作(zuo)物分子設計育(yu)種(zhong)目的是通過(guo)各(ge)種(zhong)技術(shu)的集(ji)成(cheng)與整合，在育(yu)種(zhong)專家(jia)的田(tian)間試驗(yan)之前，對育(yu)種(zhong)程序中(zhong)的各(ge)種(zhong)因(yin)素進(jin)行模擬、篩(shai)選(xuan)和(he)優化，確(que)立(li)目標基因(yin)型、提(ti)出最佳(jia)的親本選(xuan)配(pei)和(he)后代選(xuan)擇(ze)策略、提(ti)高(gao)育(yu)種(zhong)過(guo)程中(zhong)的預見性。
最后(hou)是(shi)轉基(ji)(ji)因(yin)育(yu)種(zhong)，即利用重組(zu)DNA技術，將功能明(ming)確的(de)基(ji)(ji)因(yin)通過遺(yi)傳轉化手段導入受體品種(zhong)的(de)基(ji)(ji)因(yin)組(zu)，并使其表達(da)期(qi)望性(xing)狀的(de)育(yu)種(zhong)方法。要強調(diao)的(de)是(shi)，轉基(ji)(ji)因(yin)育(yu)種(zhong)必須與(yu)傳統育(yu)種(zhong)和分(fen)子標記育(yu)種(zhong)相(xiang)結合。同時，還需要特(te)別(bie)關(guan)注轉基(ji)(ji)因(yin)作物及其產品的(de)安全(quan)性(xing)問題。
遼寧(ning)日報：那么分子(zi)模塊(kuai)設(she)計育種(zhong)就是“模塊(kuai)化(hua)”的(de)分子(zi)設(she)計育種(zhong)？
王曉武：是的(de)。模塊化設計(ji)育種(zhong)與(yu)我們利(li)用預制(zhi)件進行工程施工相似。就(jiu)是先將育種(zhong)總體目(mu)(mu)標(biao)(biao)(biao)分解成(cheng)若(ruo)干個單(dan)(dan)元目(mu)(mu)標(biao)(biao)(biao)，根據每個單(dan)(dan)元設計(ji)并培育一批符合單(dan)(dan)元目(mu)(mu)標(biao)(biao)(biao)的(de)育種(zhong)材(cai)料，最(zui)后按照整體目(mu)(mu)標(biao)(biao)(biao)將各(ge)單(dan)(dan)元材(cai)料具備(bei)的(de)基因組合在一起(qi)，獲得符合總體目(mu)(mu)標(biao)(biao)(biao)的(de)品種(zhong)。
我國分子育種勢頭強勁但與強國相比仍有差距
遼寧日報：您(nin)是蔬菜(cai)分子育(yu)種(zhong)(zhong)方面的專家，您(nin)能為我(wo)們介紹(shao)一(yi)下(xia)目前(qian)世界范圍(wei)內，蔬菜(cai)分子育(yu)種(zhong)(zhong)已(yi)經取得(de)了哪些成(cheng)果(guo)嗎？
王曉武：好的。利用分子標記輔助蔬菜作物育種的最基礎工作之一，可以說是分子標記作圖。分子圖譜的構建，能為大量蔬菜作物的各種性狀分子標記奠定堅實的基礎。1986年，國外科學家就利用番茄為材料建立了世界上第一張蔬菜作物分子標記連鎖圖。之后，蔬菜作物分子標記輔助育種變得異常活躍，并在實踐中逐步得到應用。到目前，包括番茄、馬鈴薯、甘藍、白菜、黃瓜、甜(tian)(辣)椒、菜(cai)豆等在內的幾乎所有主要(yao)蔬菜(cai)作(zuo)物都已經構建了分子標(biao)記連鎖圖。
而且，標記技術也有了可喜的進步，在不斷成熟。分子標記的穩定性、易用性得到了不斷提高，開發與應用成本在不斷下降。目前它們已逐漸在實際的育種項目中得到日益廣泛的應用。國際上各大型育種公司蔬菜作(zuo)物品種(zhong)的選育都已經開始(shi)使用分子(zi)標記(ji)，這(zhe)些公司(si)在(zai)市場上新(xin)推(tui)廣的許多新(xin)品種(zhong)都包含了(le)分子(zi)育種(zhong)的成(cheng)果。
遼寧日報：我(wo)國是什么時(shi)候(hou)開展(zhan)蔬(shu)菜分子育種(zhong)的，現在的發展(zhan)程度(du)如(ru)何，請您為我(wo)們介紹一下。
王曉武：我國蔬菜作(zuo)物的(de)分(fen)子(zi)(zi)標(biao)記(ji)研究(jiu)始于20世紀(ji)90年代初。 “十五”期間，國家(jia)通過(guo)“863”計劃等加大(da)了對蔬菜作(zuo)物分(fen)子(zi)(zi)標(biao)記(ji)輔助育種研究(jiu)的(de)投入，隨(sui)著各研究(jiu)單(dan)位實驗(yan)條(tiao)件的(de)不斷改善，效率(lv)更高和(he)穩定性更好(hao)的(de)標(biao)記(ji)方法也開始在許多實驗(yan)室得到(dao)應(ying)用，逐步(bu)應(ying)用到(dao)利(li)用分(fen)子(zi)(zi)標(biao)記(ji)構建遺(yi)傳圖譜和(he)具體(ti)性狀的(de)分(fen)子(zi)(zi)標(biao)記(ji)輔助選(xuan)擇。
現在，我(wo)國(guo)(guo)已經發(fa)展(zhan)出一些實用性較強的(de)分子標記(ji)技術(shu)，并初(chu)步應用于(yu)實際(ji)(ji)育(yu)種(zhong)。而且近年(nian)來，多個科研(yan)院所開展(zhan)了(le)(le)系統的(de)蔬(shu)菜作(zuo)物(wu)分子標記(ji)作(zuo)圖研(yan)究，其中包括白菜、甘藍、番茄、甜(辣)椒、馬鈴薯和黃瓜等主要(yao)蔬(shu)菜作(zuo)物(wu)。這使得我(wo)們(men)構(gou)建了(le)(le)主要(yao)蔬(shu)菜作(zuo)物(wu)的(de)遺傳圖譜，獲得一批重要(yao)性狀的(de)分子標記(ji)，分子育(yu)種(zhong)技術(shu)的(de)應用有了(le)(le)長足的(de)進步。但是，與國(guo)(guo)際(ji)(ji)上(shang)主要(yao)的(de)蔬(shu)菜育(yu)種(zhong)公(gong)司在實際(ji)(ji)育(yu)種(zhong)中已廣泛使用分子育(yu)種(zhong)的(de)狀況相比，我(wo)們(men)還有很(hen)大(da)的(de)距離。
未來10年將有重大突破白菜番茄黃瓜都有希望
遼(liao)寧日(ri)報：中科院的(de)一份研究(jiu)報告中提到“未來5至(zhi)10年內，分子(zi)模(mo)塊設(she)計育(yu)種(zhong)(zhong)科技將創造新一代農業生物品種(zhong)(zhong)”。您(nin)覺得(de)能(neng)在5至(zhi)10年內取得(de)突破的(de)基礎是什么？
王曉武：分子(zi)模(mo)塊(kuai)設計(ji)育(yu)(yu)(yu)種在(zai)國內現有(you)水平(ping)(ping)下(xia)，離(li)實際育(yu)(yu)(yu)種還有(you)一(yi)段距(ju)離(li)，但在(zai)5到10年內取得突(tu)破是完全有(you)可(ke)能的。目(mu)前分子(zi)育(yu)(yu)(yu)種技(ji)(ji)術(shu)發展(zhan)很快，高通量測序技(ji)(ji)術(shu)的發展(zhan)，自動化技(ji)(ji)術(shu)在(zai)分子(zi)育(yu)(yu)(yu)種中的廣(guang)泛應(ying)用(yong)(yong)都(dou)極大地促(cu)進了(le)分子(zi)育(yu)(yu)(yu)種。特(te)別是，我國科學家充(chong)分抓住(zhu)了(le)高通量測序技(ji)(ji)術(shu)取得突(tu)破機遇(yu)，完成了(le)白菜、番茄(qie)、黃瓜(gua)、馬鈴薯等一(yi)系列主要蔬菜作(zuo)物的基(ji)因(yin)組(zu)測序，為分子(zi)模(mo)塊(kuai)設計(ji)育(yu)(yu)(yu)種奠定了(le)一(yi)個很好(hao)的基(ji)礎。分子(zi)模(mo)塊(kuai)設計(ji)育(yu)(yu)(yu)種是一(yi)個過程，目(mu)前還無法具體(ti)預測哪種蔬菜作(zuo)物會(hui)(hui)最(zui)(zui)先(xian)實現。一(yi)般情況(kuang)下(xia)，這些基(ji)因(yin)組(zu)水平(ping)(ping)研究得比較透徹的作(zuo)物應(ying)該會(hui)(hui)最(zui)(zui)先(xian)使(shi)用(yong)(yong)分子(zi)模(mo)塊(kuai)設計(ji)育(yu)(yu)(yu)種。
遼寧日報：那么(me)在蔬菜(cai)分(fen)子育種領域，您對(dui)該技(ji)術的發展有(you)哪些建議？
王(wang)曉武：未(wei)來幾年將(jiang)是(shi)我國蔬(shu)(shu)菜(cai)種(zhong)業面臨(lin)最(zui)嚴(yan)峻考驗的(de)時(shi)期(qi)，也是(shi)我國蔬(shu)(shu)菜(cai)種(zhong)業能不能抓住最(zui)后機遇贏得發展的(de)關鍵時(shi)期(qi)。我們一定要充分(fen)利用最(zui)近在蔬(shu)(shu)菜(cai)基(ji)因組學研究(jiu)方面建立的(de)領先(xian)優勢和(he)基(ji)礎，加快蔬(shu)(shu)菜(cai)分(fen)子育(yu)種(zhong)的(de)進程，迅(xun)速增強(qiang)我國蔬(shu)(shu)菜(cai)育(yu)種(zhong)的(de)研究(jiu)實力(li)，提(ti)升蔬(shu)(shu)菜(cai)育(yu)種(zhong)的(de)技術(shu)水平。
具體來(lai)說(shuo)，在完成黃瓜、大(da)(da)白菜、甘藍、馬鈴薯和番茄(qie)測(ce)序的(de)基礎上，我(wo)們要抓緊進行不同基因(yin)(yin)型品種的(de)重測(ce)序以及表達(da)譜分析，明確基因(yin)(yin)組中各個基因(yin)(yin)的(de)相互關系，挖掘(jue)大(da)(da)批優良的(de)等位基因(yin)(yin)，開發大(da)(da)量易用的(de)功能基因(yin)(yin)分子(zi)標記(ji)。
還要開展蘿卜(bu)、辣椒(jiao)、胡蘿卜(bu)、茄子和芥(jie)菜(cai)(cai)(cai)等蔬(shu)(shu)菜(cai)(cai)(cai)作(zuo)物的(de)基(ji)因(yin)組(zu)(zu)學(xue)(xue)研究(jiu)，保持和發展我國(guo)在蔬(shu)(shu)菜(cai)(cai)(cai)作(zuo)物基(ji)因(yin)組(zu)(zu)學(xue)(xue)研究(jiu)的(de)領先優勢與基(ji)礎。
另外，要(yao)加強(qiang)野生(sheng)資(zi)源(yuan)(yuan)的開發(fa)利用(yong)，建(jian)立(li)有(you)重要(yao)應用(yong)價值(zhi)的野生(sheng)資(zi)源(yuan)(yuan)漸滲(shen)系(xi)，建(jian)立(li)基(ji)于分子標(biao)記選擇(ze)的外源(yuan)(yuan)基(ji)因(yin)定向導入技術。
最后，還要加強蔬菜分子育種創新平臺建設。國家應該加大對蔬菜分子育種的投入，依托優勢單位建立國家蔬菜分子育種研究中心，推進硬件條件的不斷完善，培養分子育種理論研究和技術創新的優秀人才。 □本報記者/王亮
專家檔案
王曉武博士、研究員、博士生導師，中國農業科學院蔬菜花卉研究所副所長。目前主持的研究項目主要有“黃瓜全基因組測序”、“白菜類作物和馬鈴薯有益人體健康的微量營養品質性狀的基因組學研究”和“863”項目“優質多抗蔬菜與果樹分子育種”，參加“973”項目“油菜子油脂形成的分(fen)子生物(wu)(wu)學(xue)機制及(ji)其代謝調控”和“作物(wu)(wu)特(te)殊營養(yang)成分(fen)的代謝及(ji)其調控研究”。獲發明專利2項。發表學(xue)術論文(wen)50余(yu)篇(pian)(pian)，其中SCI論文(wen)12篇(pian)(pian)。現(xian)主要從事蕓(yun)(yun)薹(tai)屬和瓜類作物(wu)(wu)基因組學(xue)、蕓(yun)(yun)薹(tai)屬作物(wu)(wu)代謝組學(xue)等研究。
