我國分子育種迎來高通量時(shí)代
——記中玉金標(biāo)記分子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室

◇絲羽

我國分子育種迎來高通量時(shí)代
——記中玉金標(biāo)記分子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室

◇絲羽

近年來，隨著生物技術(shù)迅猛發(fā)展，我國育種家利用高通量測(cè)序、分子標(biāo)記等等先進(jìn)的生物技術(shù)和信息技術(shù)手段，架起了種質(zhì)基因資源信息銜接龐大數(shù)據(jù)的橋梁，建立起常規(guī)育種與生物育種相結(jié)合的平臺(tái)，大幅度提高了育種效率，使育種工作實(shí)現(xiàn)了由“經(jīng)驗(yàn)”向“科學(xué)”的根本性轉(zhuǎn)變。

為了讓分子標(biāo)記技術(shù)和基因組測(cè)序技術(shù)帶動(dòng)我國種業(yè)的發(fā)展，中玉金標(biāo)記（北京）生物技術(shù)股份有限公司于2014年投資5 500萬元，初步建立了目前我國最先進(jìn)、通量最高的分子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室。

在中玉金標(biāo)記分子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室里，國內(nèi)外種業(yè)科研精英正在為我國種業(yè)創(chuàng)造著無限動(dòng)力；在這里，我國傳統(tǒng)育種落后30年、分子育種落后20年的現(xiàn)狀將被改寫。

“實(shí)驗(yàn)室的建立為我國的種業(yè)公司和育種單位利用基因組學(xué)的最新研究成果有效提高育種效率和精確性提供了基礎(chǔ)，可以說它承擔(dān)著幫助提高我國種業(yè)研發(fā)能力與產(chǎn)品開發(fā)核心競爭力的重大使命”，實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家盧洪說。

技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到國際水平

分子標(biāo)記技術(shù)和基因組測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展。近10年來，基于分子標(biāo)記技術(shù)的高通量基因型和第二代DNA測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，使生物學(xué)的研究更加高效、廣泛、深入。技術(shù)的進(jìn)步使單個(gè)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和管理成本急劇下降，基因組的研究和應(yīng)用進(jìn)入了“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，給分子生物學(xué)家、遺傳學(xué)家、育種家等提供了海量信息。

盧洪介紹，目前以高通量DNA提取平臺(tái)、高通量分子標(biāo)記開發(fā)平臺(tái)、高通量分子標(biāo)記檢測(cè)平臺(tái)，以及高通量SNP芯片檢測(cè)平臺(tái)等4大平臺(tái)為核心組建了分子育種實(shí)驗(yàn)室，已初步建立起來一個(gè)我國技術(shù)水平和通量都很高的分子標(biāo)記檢測(cè)體系。

據(jù)實(shí)驗(yàn)室工程師介紹，4大平臺(tái)相互協(xié)同運(yùn)行，從而使中玉金標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室擁有了每天產(chǎn)生200萬個(gè)以上基因型信息數(shù)據(jù)點(diǎn)的能力；高通量DNA提取和分子標(biāo)記檢測(cè)平臺(tái)，處理能力達(dá)到年處理樣品100萬份以上；承擔(dān)的各項(xiàng)定制項(xiàng)目，年產(chǎn)生數(shù)十億個(gè)SNP數(shù)據(jù)點(diǎn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃購置全球先進(jìn)的Illumi naNextSeq500高通量測(cè)序系統(tǒng)，應(yīng)用其測(cè)序可獲得測(cè)序長度為2×150 bp，每張F(tuán)lowcell每次產(chǎn)生的最大數(shù)據(jù)量為100～120 G，運(yùn)行一次的時(shí)間為29 h，運(yùn)行一年的數(shù)據(jù)產(chǎn)量為29 T。NextSeq500不僅可以進(jìn)行基因組測(cè)序，同時(shí)可以用來進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組深度測(cè)序、甲基化高通量測(cè)序、染色質(zhì)免疫共沉淀測(cè)序和小RNA高通量測(cè)序研究。實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)初步具備了應(yīng)用KASPar和TaqManSNP基因分型技術(shù)，為我國種業(yè)同仁提供高通量分子標(biāo)記分析的能力。

“可以說，目前我們的分子標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)水平，與國際一流水平的分子實(shí)驗(yàn)室相比毫不遜色”，盧洪說。

為育種企業(yè)提供高端技術(shù)服務(wù)

分子育種是當(dāng)今最前沿的育種技術(shù)，不過，也被認(rèn)為是“最燒錢”的。一臺(tái)設(shè)備動(dòng)輒幾百萬元，而且每隔3～5年就要更新?lián)Q代，設(shè)備費(fèi)用十分昂貴。更主要的是，對(duì)普通的科研單位和育種企業(yè)來說，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量不需要那么多，就算建起這樣高端的實(shí)驗(yàn)室，一家企業(yè)的育種需求量也“喂不飽”實(shí)驗(yàn)設(shè)備，也是一種資源的浪費(fèi)。

中玉金標(biāo)記這家企業(yè)正是由此而生，他并不是一家育種企業(yè)，而是定義為“為育種企業(yè)提供高端技術(shù)服務(wù)的企業(yè)”，由國家相關(guān)部門倡導(dǎo)，北大荒墾豐種業(yè)公司等8家公司出資所建。因此，建立一流的實(shí)驗(yàn)室并為國內(nèi)企業(yè)提供服務(wù)是他的使命所在。

日前中玉金標(biāo)記已經(jīng)與全球基因芯片技術(shù)的發(fā)明者、全球兩大基因芯片供應(yīng)商之一的美國昂飛公司達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議：昂飛公司支持中玉金標(biāo)記開發(fā)農(nóng)作物基因芯片，中玉金標(biāo)記也將成為昂飛公司在中國區(qū)的優(yōu)先技術(shù)服務(wù)中心。

在國內(nèi)服務(wù)方面，中玉金標(biāo)記已經(jīng)與中國農(nóng)科院作物所簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方對(duì)玉米、小麥、大豆等作物展開技術(shù)合作和服務(wù)。通過這些合作，中玉金標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)可應(yīng)用的芯片，涉及玉米、小麥、大豆等主要糧油作物及蔬菜，具有多種作物的功能標(biāo)記，涵蓋不同密度等級(jí)，可應(yīng)用于基因組研究及分子育種的不同過程。

此外，實(shí)驗(yàn)室還將開發(fā)一系列與抗病性狀緊密關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記，比如玉米的青枯病、絲黑穗病、灰斑病、矮化葉病毒病、粗縮病、大斑病等，這將為品種改良、種質(zhì)資源的定向改良、育種材料的篩選鑒定等作出貢獻(xiàn)。

五大中心構(gòu)建完整服務(wù)體系

中玉金標(biāo)記實(shí)驗(yàn)室充分融合田間試驗(yàn)的資源和優(yōu)勢(shì)，開發(fā)出服務(wù)于我國育種行業(yè)的5大科技服務(wù)中心，每個(gè)中心承擔(dān)著不同的科技服務(wù)功能，同時(shí)又能夠很好地整合服務(wù)。

分子育種中心。該中心由海歸博士羅朗帶領(lǐng)，提供以分子標(biāo)記技術(shù)和生物信息技術(shù)為核心的分子育種技術(shù)的各種應(yīng)用。“目前受農(nóng)業(yè)部委托，我們已完成對(duì)全國3 000多份育種材料的遺傳分析和雜種優(yōu)勢(shì)群劃分，對(duì)種子公司更準(zhǔn)確地利用現(xiàn)有種質(zhì)資源有很大幫助，避免靠經(jīng)驗(yàn)和表型檢測(cè)帶來的不準(zhǔn)確性和盲目性?！绷_朗介紹，“我中心的科研成果可以有針對(duì)性地改良和提高國內(nèi)優(yōu)秀玉米雜交品種的抗病能力，已開始為多家種業(yè)公司進(jìn)行品種定制改良?！?/p>

種質(zhì)資源創(chuàng)新中心?！拔抑行膶⑼ㄟ^新一代雙單倍體（DH）技術(shù)，快速大規(guī)模產(chǎn)生玉米DH自交系，并從分子和田間表現(xiàn)兩個(gè)不同層面上對(duì)DH自交系進(jìn)行全面評(píng)價(jià)鑒定。”中心負(fù)責(zé)人董占山博士說，“從2014年開始，中玉金標(biāo)記積極利用國內(nèi)優(yōu)秀種質(zhì)資源，開始進(jìn)行DH系生產(chǎn)，目前已經(jīng)有一批單倍體材料在海南育種圃茁壯成長。此項(xiàng)目將在中國開啟大規(guī)模種質(zhì)資源創(chuàng)新的新篇章，目標(biāo)是建成具有年產(chǎn)量在5萬～10萬個(gè)DH系能力的資源創(chuàng)新生產(chǎn)系統(tǒng)。”

大田測(cè)試中心?！鞍堰@個(gè)平臺(tái)建成中國最值得信賴的玉米品種測(cè)試體系”，這是中心負(fù)責(zé)人郭仁峻及其團(tuán)隊(duì)的一貫信念。該中心將在全國玉米主產(chǎn)區(qū)建立一套約由500個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)組成的中國最大的測(cè)試體系，專業(yè)人員負(fù)責(zé)試驗(yàn)的計(jì)劃、落實(shí)、監(jiān)督和培訓(xùn)，采用國際先進(jìn)的育種信息管理軟件AGROBASE進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析，依據(jù)國家主要農(nóng)作物審定要求報(bào)告品種表現(xiàn)。

分子標(biāo)記技術(shù)研發(fā)中心。中心負(fù)責(zé)人景潤春博士介紹，每個(gè)育種材料、骨干自交系、審定的品種都需要建立一份完整的DNA指紋圖譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)。我國迫切需要開發(fā)新一代的SNP分子標(biāo)記技術(shù)，制定相應(yīng)的品種審定和資源評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來為知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，新制定的SNP分子標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)將能夠更準(zhǔn)確鑒定品種真實(shí)性，更好地評(píng)價(jià)我國種質(zhì)資源遺傳多樣性?！澳壳埃覀兣c北京農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心聯(lián)合，共同開發(fā)玉米第三代SNP分子標(biāo)記的品種鑒定及種質(zhì)資源評(píng)價(jià)國家標(biāo)準(zhǔn)。”

生物信息研發(fā)中心。嚴(yán)勇攀博士表示，建立以專業(yè)數(shù)據(jù)庫管理和大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)為代表的生物數(shù)據(jù)分析和信息管理中心，是現(xiàn)代育種不可缺少的重要組成部分。該中心幫助收集整理基因型數(shù)據(jù)、基因組信息、農(nóng)藝性狀、系譜關(guān)系、配合力、環(huán)境信息、農(nóng)藝管理信息及多年多點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，讓育種真正由經(jīng)驗(yàn)向精準(zhǔn)轉(zhuǎn)變。