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借助分子遗传育种发展中国种业
作者:汤斌   来源:科技日报   发布时间:2012-04-05 11:42:28
 

  作者简介:汤斌博士从事过的研究包括棉花抗黄枯萎病、棉花根结线虫抗性机理、棉铃虫TB基因抗性转育遗传工程、柑桔抗线虫病害基因鉴定,以及F2代数量性状遗传,在生物体内提取高纯度DNA技术、分子生物学数据分析以及高通量检测技术领域做出了贡献。目前,他在美国欧美嘉生物技术有限责任公司分别担任项目开发经理和执行总监。
  
  高通量全自动化的二代测序样品处理
  
  中国育种研究和种子产业面临着严峻的危机和挑战。目前,国外品种已经占领了中国相当大的市场份额,并由园艺作物向大宗粮食作物拓展,有的品种已被垄断。资料显示,国外种子占据了中国90%的玉米、95%的甜菜、65%的向日葵和大部分高端蔬菜、花卉种子市场份额。根据《国家粮食安全中长期规划纲要(2008年至2020年)》的要求,2020年粮食亩产要达350公斤。2009年中国粮食亩产325公斤,要实现规划目标,亩产年均需增长约2.27公斤。在耕地不断减少、水资源约束日益加剧、自然灾害和生物灾害影响不断加大的背景下,实现粮食增产目标的关键在于种子改良,提高种业发展整体水平。
  
  然而,现实的情况是,根据不同作物种类,中国植物分子遗传育种研究水平与国际先进水平相差10年到30年。分子育种在产业化方面也处在相对低的发展水平。因此,中国分子遗传育种要走出目前的困境,需要做大量具体细致的工作。
  
  分子生物技术育种优势显著
  
  过去,人们依靠传统育种方法获取作物新品种,其根据选择的特性确定植物亲本,然后通过杂交、回交或者直系筛选程序来完成。传统育种方法存在着极大的盲目性、经验性、不确定因素和长周期的问题。
  
  目前,世界遗传育种研究已从传统的常规育种技术进入依靠生物技术育种阶段。科学家已从单个基因的测序转为有计划、大规模地检测水稻等重要生物体的基因图谱,全世界已有6000多项农作物方面的生物技术研究成果进入田间试验。所有这些都表明,未来世界种子产业竞争的焦点主要是生物技术,尤其是DNA(脱氧核糖核酸)标记辅助育种和基因工程。生物技术向人类展示了种业的巨大发展潜力,创造着农业革命的未来。许多发达国家已明确提出了“向生物技术要产量”的口号。
  
  植物的分子遗传育种可谓系统的分子生物学工程,它是植物细胞学、植物生理学、传统分子生物学、生物统计学以及传统遗传育种的综合体,是高通量分子遗传育种和传统遗传育种相结合的系统工程。分子育种简单地说就是在作物育种领域应用分子生物学技术,其可概括为数量性状位点图谱(QTLmapping)或基因测序发现特殊基因位点(genediscovery)、分子标记辅助育种(marker-assistedselection)、基因组筛选(genomicselection)以及基因工程(geneticengineering)几个部分。
  
  要实现作物分子遗传育种的目标,首要任务是了解选择群体细胞的生理生化特性以及与之相对应的表型现象,也就是要确定植物群体实际基因或基因片段的表达与表型现象的内在关联程度。而这种关系的确立过程即是获得基因表达的数量性状位点图谱或相关图谱的过程。为获得数量性状位点图谱,需要经过选择那些遗传上有着明显分离的作物亲本品系、获取能够区别不同品系的基因标记、借助先进的第二代测序技术进行DNA测序和利用统计技术确定可用来预测作物特性表现型的DNA标记。
  
  确定预测作物特性表现型的DNA标记后,人们便可用此DNA标记进行相关特性的育种选择,即作物育种的标记辅助选育。这种选育过程相对于传统的表现型筛选要简单,它可以为我们节约大量的时间、精力和资源。这种选育过程的优势表现在人们能在苗期进行选择以及可以进行单株选择。
  
  分子水平植物遗传育种的实施可帮助人们在最短的时间里实现下列目标:1.大大缩短半野生群体转化为商业用新作物品种的时间和空间;2.让现存的作物品种尽快适应新的环境压力,如抗病虫害,以及满足人们对其营养成分和形态学的需求;3.迅速地让那些来自相同种类的野生家系的、有价值的特性载入到现存作物中去;4.容许植物育种家直接操作那些高度复杂的植物特性,如杂种优势和花卉类特性;5.能够对那些常常被忽略的孤生作物,如小米、山药、根类和块茎类作物等进行有效的遗传选育。
  
  建立高通量分子遗传育种技术平台
  
  中国迫切需要建立多个大规模、高效率的分子遗传育种技术服务平台。这个服务平台应该由国家统筹建立,实行企业化管理。引进和吸收国际先进的技术和设备(包括第二代和第三代测序技术设备,可进行全自动化用于单株筛选培育的温室设备等),并建有能进行常规育种的繁育基地。这个平台的建立应该能够为植物遗传育种科研机构和种子企业等,根据不同作物、品种、品系以及相对应的特性,提供全方位高通量分子遗传育种服务。这些服务包括:基因标记物的筛选、标记亲本筛选、高通量测序以及与之对应的作物分子遗传育种项目、高统量分子标记辅助育种、遗传数据分析、种质基因库的建立、品种亲本筛选、种子品质鉴定和常规的品种比较试验等。除此之外,企业本身还能够承担国家重大科研项目。
  
  这种高科技服务平台的建立,能够有效地利用现有的与农业生物技术研究相关的以及已经建立起来的与传统植物遗传育种有关的人才和技术设施,同时有能力满足中国制种业在高科技生物制种方面的需求,从某种程度上解决目前中国种业至今不具备高科技研发能力的问题。采取企业化的管理机制,如果操作得当,有国家政策层面上的支持,3年至5年内完全有可能达到上市企业的水平。
  
  农业的作物分子遗传育种是一个系统工程,其重要性和社会影响力绝不亚于航空航天工程。考虑到中国的实际情况,有必要成立一个国家级别的作物遗传育种专家委员会,其由中国科技部、农业部和农科院牵头,组织国内外从事作物分子遗传学研究的专家组成专家委员会,针对中国现有的主要农作物(大约300种),逐个就目前该种作物相关的分子遗传育种水平进行调研,针对不同作物种类,提出未来5年至10年分子遗传育种的详细规划,并拟定出详细的系统研究方向、策略和研究方案;同时根据不同作物种类及其重要的筛选特性,推选出适合中国国情的分子遗传育种专项课题,通过类似于国家863计划的形式,在全国范围内实行竞争申请项目课题,由专家委员会在整个课题实行过程中监督指导具体课题的执行和落实情况。
  
  分子生物育种高通量技术是关键
  
  确定正确的发展方向需基于中国国情和世界种业发展趋势。当今中国种业最重要的和首要的发展方向是对传统育种技术进行改造,利用生物技术向传统育种技术进行渗透,提高农作物的育种效率,向以生物技术为代表的高新育种技术转变。传统的品种间杂交选育新品种周期较长、效率较低,以生物技术为代表的高新技术与传统的育种技术相结合,则可以快捷高效地培育农作物新品种,因此,实施常规育种和生物技术育种相结合的科技创新战略,可逐步提高中国种业的科技含量。建立不同作物种类的分子水平的种植资源库,把高科技分子育种技术以及分子水平的亲本选育和种质鉴定贯穿到我们种业发展的各个环节中去,将是种业今天和未来发展最重要的方向和目的。
  
  分子育种仪器设备的自动化操作是实施农业高通量作物分子育种的基本保证。然而,实现高通量作物分子育种必须有能力在高通量的前提下对不同作物种类提取和分离高纯度DNA/RNA,以实现在苗期短的生长期限内对单株进行选育的可能。这也是中国目前实施农业高通量分子育种的技术瓶颈。与此同时,中国科研机构技术不全面,与农业有关的科研机构分散和多为小型试验室,这些造成了中国目前分子水平育种技术落后,基础研究水平低的情况。即使有些已经鉴定的基因标记和数量性状位点图谱也因为不理想,而无法直接应用于分子标记辅助育种实现。
  
  培训、培养和引进分子遗传育种人才
  
  当今世界作物育种业甚至世界农业竞争的焦点就是科学技术和掌握科学技术的人才。谁抓住了技术和人才,谁就在竞争中占据了主动。近年来,中央和地方政府出台了一系列引进高科技项目和人才的计划,并从过去的“招商引资”转变为今天的“招才引智”。但是,在不少各地高科技项目和人才招聘活动中,很难找到与农业生物技术有关的人才和项目。这种现象也许意味着在农业生物技术领域,中国缺乏能让生物技术人才施展才华的技术平台。
  
  中国农业分子生物学家黎裕等专家分析了中国分子遗传育种存在的问题,认为中国作物分子育种新技术新方法创新能力弱、分子育种高效化和规模化没有得到根本解决,以及分子手段与传统育种技术尚需有机结合。然而,或许存在另外一个问题,那就是中国缺乏农业分子遗传育种方面的系统设计师。正如一家想成功开发出具有市场潜力计算机软件的公司,重要的不是公司有多少计算机软件工程师,而是需要有一个具有市场观念、能进行全方位思维的系统软件设计师。
  
  中国有大约1万种农作物,它们横跨农业、畜牧业、园艺和林业,其中主要农作物不下300种。在未来5年到10年里,为满足不同种类不同特性分子生物学研究和产业开发对专业人员的需求,估计不同层次的从事农业分子遗传育种和产业开发的技术人才需求量不低于50万。如果把它看作是一个新兴的产业链的重要环节,那么建立技术平台,引进和吸引人才参与高通量分子作物遗传育种,改造传统育种人才和培训未来人才将成为我们人才战略不可或缺的重要步骤。
  
  虽然中国的种业发展面临着诸多问题,但是无论是产业结构、科研和产业脱节的问题,还是市场管理等方面的问题,都可以通过政策、管理模式和市场模式加以调整,以适合和达到符合中国国情并具有国际竞争的能力。然而,唯有在作物育种高科技方面,如果没有前期的基础研究,根本就谈不上后来的分子水平DNA标记辅助育种,以及生产出具有国际竞争力的作物品种和品种品质。截止到2010年的统计,中国科研工作者共定位与不同作物以及与不同性状相关的基因总共不到1000个;而美国仅小麦遗传连锁图定位的标记和基因就超过3000个、玉米4500个。因此,加强和落实中国在作物分子遗传育种方面的基础性研究是未来提高中国种业发展中最为重要步骤和方向。无疑,现代高通量的第二代测序技术和正在发展的第三代测序技术以及它们在农作物方面的应用将是快捷和经济有效的育种技术手段。我们相信,只要政策到位、方法得当,中国有能力在基础研究方面达到国际水平,为中国在种业高科技品种选育提供坚实的基础。



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