開啟中國設(shè)計(jì)育種新篇章
——“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)進(jìn)展*

文/薛勇彪　種康　韓斌　桂建芳　王臺(tái)　傅向東　何祖華儲(chǔ)成才　田志喜　程祝寬　林少揚(yáng)中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 北京 000中國科學(xué)院植物研究所 北京 0009中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 上海 000中國科學(xué)院水生生物研究所 武漢 007

開啟中國設(shè)計(jì)育種新篇章
——“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)進(jìn)展*

文/薛勇彪1種康2韓斌3桂建芳4王臺(tái)2傅向東1何祖華3儲(chǔ)成才1田志喜1程祝寬1林少揚(yáng)1
1中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 北京 100101
2中國科學(xué)院植物研究所 北京 100093
3中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院 上海 200031
4中國科學(xué)院水生生物研究所 武漢 430072

Progress on CAS Strategic Priority Research Program

“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)以水稻為主，小麥、鯉等為輔，利用野生種、農(nóng)家品種和主栽（養(yǎng)）優(yōu)良品種等種質(zhì)資源，綜合運(yùn)用基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)等手段，解析高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等重要農(nóng)藝（經(jīng)濟(jì)）性狀的分子模塊，揭示水稻復(fù)雜性狀全基因組編碼規(guī)律，發(fā)展多模塊非線性耦合理論和“全基因組導(dǎo)航”分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)，優(yōu)化多模塊組裝的品種設(shè)計(jì)的最佳策略，建立從“分子模塊”到“設(shè)計(jì)型品種”的現(xiàn)代生物技術(shù)育種創(chuàng)新體系，為實(shí)現(xiàn)全基因組水平多模塊優(yōu)化組裝、培育新一代超級品種提供系統(tǒng)解決方案。文章介紹了該專項(xiàng)的背景、總體目標(biāo)、研究內(nèi)容、進(jìn)展及發(fā)展展望。

水稻，復(fù)雜性狀，分子模塊，分子模塊設(shè)計(jì)育種，模塊耦合與組裝，育種技術(shù)升級換代

傳統(tǒng)的植物遺傳育種實(shí)踐中，研究人員一般通過植物種內(nèi)的有性雜交進(jìn)行農(nóng)藝性狀的轉(zhuǎn)移與改良，這類常規(guī)育種實(shí)踐雖然對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用，但存在育種周期長、遺傳改良實(shí)踐效率偏低的缺陷?；趯﹃P(guān)鍵基因或QTLs功能的認(rèn)識(shí)，利用TILLING技術(shù)、基因組編輯技術(shù)和轉(zhuǎn)基因技術(shù)創(chuàng)制優(yōu)異種質(zhì)資源（設(shè)計(jì)元件），根據(jù)預(yù)先設(shè)定的育種目標(biāo)，選擇合適的設(shè)計(jì)元件，實(shí)現(xiàn)分子設(shè)計(jì)和多基因組裝的育種，已經(jīng)成為國際上引領(lǐng)作物遺傳改良進(jìn)步的最先進(jìn)技術(shù)。由于采用了高效的基因定點(diǎn)改造和轉(zhuǎn)移途徑，分子設(shè)計(jì)育種具有常規(guī)育種無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，一旦建立了完善的品種分子設(shè)計(jì)育種體系，就可以快速地將功能基因組學(xué)的研究成果轉(zhuǎn)變成大田作物品種，從而創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為保障國家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)作物育種理論和應(yīng)用研究的創(chuàng)新做出重大貢獻(xiàn)［1］。

1　立項(xiàng)背景

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，水稻、小麥、魚等主要農(nóng)業(yè)品種的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)對保障我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義。多年來，育種科學(xué)家培育了大量高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種，為解決13億人口的吃飯問題做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，近年來主要農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)都處于徘徊不前的局面，難以滿足我國糧食安全的需求。常規(guī)育種面臨育種周期長、效率低、遺傳背景狹窄等瓶頸，而轉(zhuǎn)基因技術(shù)主要針對少數(shù)單基因控制的性狀改良，難以培育針對復(fù)雜性狀改良的突破性新品種。因此，提高育種科技水平，發(fā)展新一代育種理論和技術(shù)體系是現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展的迫切需求。

近年，歐、美、澳等國家紛紛出臺(tái)國家級研究計(jì)劃，在農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域展開競爭。大型跨國公司如孟山都、先鋒和先正達(dá)等也投巨資開展水稻、玉米、小麥以及豬、牛和主要養(yǎng)殖魚類等的基因組研究，目的是取得相關(guān)基因和關(guān)鍵技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。一個(gè)基因（技術(shù)）就是一個(gè)產(chǎn)業(yè)，這些新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展將在未來的農(nóng)業(yè)生物改良中獲取巨大的經(jīng)濟(jì)效益。我國政府也一直高度重視農(nóng)業(yè)生物技術(shù)發(fā)展，在多個(gè)科技計(jì)劃的資助下，我國農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究獲得了較大的發(fā)展。但是，我國啟動(dòng)的分子標(biāo)記輔助育種和動(dòng)植物轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)還局限于單個(gè)或2—3個(gè)少數(shù)基因的遺傳改良，不能滿足復(fù)雜性狀分子設(shè)計(jì)育種目標(biāo)的需要。

基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、合成生物學(xué)等新興學(xué)科的發(fā)展為解析生物復(fù)雜性狀的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)帶來了機(jī)遇，也為設(shè)計(jì)育種技術(shù)創(chuàng)新奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。多數(shù)農(nóng)藝（經(jīng)濟(jì)）性狀受多基因調(diào)控，并具有“模塊化”特性。因此，“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”將為解析分子模塊、闡明分子模塊耦合理論、實(shí)現(xiàn)全基因組水平多模塊優(yōu)化組裝、培育新一代設(shè)計(jì)型超級品種提供系統(tǒng)解決方案。

2010年3月，國務(wù)院第105次常務(wù)會(huì)議審議通過了中科院“創(chuàng)新2020”規(guī)劃，同意中科院組織實(shí)施戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。為充分發(fā)揮分子模塊設(shè)計(jì)育種在保障國家糧食安全和農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展中的重要戰(zhàn)略作用，2013年4月，中科院黨組會(huì)審議并通過了“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（簡稱分子設(shè)計(jì)育種先導(dǎo)專項(xiàng)）的實(shí)施方案和組織管理方案，標(biāo)志著分子設(shè)計(jì)育種先導(dǎo)專項(xiàng)正式立項(xiàng)，開啟了我國探索基因組育種的新篇章。

2　總體目標(biāo)

分子設(shè)計(jì)育種先導(dǎo)專項(xiàng)針對我國糧食安全和分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系建立的重大需求，以水稻為主，小麥、鯉等為輔，分析鑒定復(fù)雜性狀的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，解析高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的分子模塊，建立完整的與復(fù)雜重要農(nóng)藝（經(jīng)濟(jì)）性狀關(guān)聯(lián)的全基因組分子標(biāo)記體系，設(shè)計(jì)基于“分子模塊辭?！保◤?fù)雜性狀全基因組編碼規(guī)律）和“多模塊耦合理論”的最佳育種路徑，實(shí)現(xiàn)多分子模塊的高效組裝和優(yōu)化，達(dá)到多個(gè)復(fù)雜性狀協(xié)同改良的設(shè)計(jì)育種目標(biāo)，創(chuàng)建新一代超級品種培育的分子設(shè)計(jì)育種新技術(shù)，引領(lǐng)新興生物種業(yè)發(fā)展，為保障我國糧食安全提供核心戰(zhàn)略支撐。同時(shí)，面向?qū)ｍ?xiàng)任務(wù)需求，以原有的臺(tái)站、基地為基礎(chǔ)，通過多種合作共建，建成中科院分子育種網(wǎng)絡(luò)中心和國內(nèi)外協(xié)同創(chuàng)新中心，全面提升中科院育種基地模塊育種材料的規(guī)?；庇?、加代生產(chǎn)服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)表型和基因型原位快速、通量測定，培養(yǎng)職業(yè)化育種隊(duì)伍與工程技術(shù)人才，充分展示分子模塊設(shè)計(jì)育種成果。

至2020年，以水稻為主，小麥、鯉等為輔，利用野生種、農(nóng)家品種和主栽（養(yǎng)）品種等種質(zhì)資源等材料，解析高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效性狀的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，獲得16—20個(gè)（產(chǎn)量提高8%以上）具有重要育種價(jià)值的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效分子模塊；獲得水稻、小麥、鯉和大豆等12—15個(gè)具有重要育種價(jià)值的分子模塊系統(tǒng)，建成1—2個(gè)模塊系統(tǒng)互作的計(jì)算模擬和功能預(yù)測的系統(tǒng)模型，建立模塊耦合的生物學(xué)效應(yīng)評價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)8個(gè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效模塊系統(tǒng)的耦合組裝；創(chuàng)建我國主要?jiǎng)又参锲贩N升級換代的新技術(shù)體系和育種新途徑，培育10—15個(gè)新一代初級分子模塊設(shè)計(jì)的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、抗病蟲動(dòng)植物新品種（系）；在東北、華北、華東、華中、西南和海南建立6個(gè)分子育種基地，覆蓋我國主要糧食產(chǎn)區(qū)，并輻射全國；加強(qiáng)與國內(nèi)優(yōu)勢單位在育種領(lǐng)域的合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，加快分子模塊設(shè)計(jì)育種進(jìn)程。同時(shí)，與國外優(yōu)勢研究所合作，吸納和聚集創(chuàng)新要素和資源，形成協(xié)同創(chuàng)新優(yōu)勢。通過構(gòu)建合作研究、交流互動(dòng)、資源互享、協(xié)同創(chuàng)新的新模式，集聚和培養(yǎng)一批拔尖創(chuàng)新人才，助力先導(dǎo)專項(xiàng)在分子設(shè)計(jì)育種研究前沿科學(xué)領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位，促進(jìn)先導(dǎo)專項(xiàng)產(chǎn)出重大創(chuàng)新成果，培養(yǎng)職業(yè)化育種隊(duì)伍與工程技術(shù)人才。

至2030年，全面解析控制復(fù)雜性狀的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，通過多模塊計(jì)算模擬和定向設(shè)計(jì)育種技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)植物復(fù)雜性狀的設(shè)計(jì)、耦合和組裝，完善分子設(shè)計(jì)育種理論和技術(shù)體系，育成高產(chǎn)（產(chǎn)量提高15%—20%）、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)和高效（養(yǎng)分利用效率提高10%—15%）的分子設(shè)計(jì)型品種10—15個(gè)。

3　研究內(nèi)容

針對我國糧食安全和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大需求，以水稻為主，小麥、鯉等為輔，解析高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)、高效性狀的分子模塊，闡明主要農(nóng)業(yè)生物復(fù)雜農(nóng)藝（經(jīng)濟(jì)）性狀多基因控制的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及互作效應(yīng)；基于優(yōu)良品種的全基因組遺傳信息，建立多模塊耦合與組裝的分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系，培育符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需示的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)和高效設(shè)計(jì)型新品種。根據(jù)研究目標(biāo)將其分為分子模塊解析、分子模塊系統(tǒng)解析和耦合組裝、品種分子設(shè)計(jì)與培育、分子設(shè)計(jì)育種基地完善與能力提升4個(gè)項(xiàng)目。

（1）分子模塊解析。以水稻為主，小麥、鯉等為輔，利用野生材料、農(nóng)家品種和優(yōu)良主栽（養(yǎng)）品種等種質(zhì)資源，綜合運(yùn)用各種組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)等手段，解析產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病、耐逆、養(yǎng)分與光能高效利用等重要農(nóng)藝（經(jīng)濟(jì)）性狀形成的遺傳基礎(chǔ)及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)；揭示復(fù)雜性狀全基因組編碼規(guī)律；解析并獲得高產(chǎn)（產(chǎn)量提高5%—10%）、穩(wěn)產(chǎn)（損失減少15%—30%）、優(yōu)質(zhì)（國標(biāo)I-II級）和高效（效率提升5%—10%）分子模塊，挖掘相關(guān)性狀的優(yōu)異等位變異12—15個(gè)，獲得一批可用于分子設(shè)計(jì)育種的分子模塊。

（2）分子模塊系統(tǒng)解析和耦合組裝。系統(tǒng)分析鑒定復(fù)雜性狀調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，建立完整的與復(fù)雜性狀關(guān)聯(lián)的全基因組分子標(biāo)記體系，設(shè)計(jì)分子模塊體系耦合的最佳路徑，計(jì)算、模擬分析多分子模塊系統(tǒng)耦合的動(dòng)力學(xué)規(guī)律及效應(yīng)。

（3）品種分子設(shè)計(jì)與培育。針對我國主要農(nóng)作物及魚品種存在的主要問題，利用已經(jīng)獲得的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病、抗逆、抗倒伏等分子模塊，將傳統(tǒng)育種手段與分子育種手段相結(jié)合，以我國主栽（養(yǎng)）品種為底盤品種，配置底盤品種與不同分子模塊供體的雜交組合，通過多代連續(xù)回交和異地加代繁育，結(jié)合基因組重測序等手段進(jìn)行底盤背景鑒定和目標(biāo)模塊選擇，獲得一系列初級模塊設(shè)計(jì)品種；將導(dǎo)入有不同分子模塊的初級模塊設(shè)計(jì)品種雜交，獲得雙模塊設(shè)計(jì)品種。在此基礎(chǔ)上，將單模塊和雙模塊設(shè)計(jì)品種作為底盤品種，采用相同的技術(shù)路線，獲得三模塊等更高級模塊設(shè)計(jì)品種。同時(shí)，以底盤品種為對照，進(jìn)行新品種營養(yǎng)成分分析和新品種安全性評價(jià)。

（4）分子設(shè)計(jì)育種基地完善與能力提升。圍繞專項(xiàng)的任務(wù)與目標(biāo)，選擇東北、華北、華東、華中、西南和海南6個(gè)核心育種基地的完善與能力提升，實(shí)現(xiàn)育種基地的主要功能：分子模塊育種材料繁育加代；通量化的表型與基因型分析鑒定；共用、高通量分析檢測技術(shù)研發(fā)；作物與動(dòng)物野生近緣種、當(dāng)?shù)剞r(nóng)家種、育種新材料的收集與保存；數(shù)據(jù)與信息的匯總、分析、存儲(chǔ)；培育隊(duì)伍、提升能力。為分子模塊解析、分子模塊的系統(tǒng)解析和耦合組裝、品種分子設(shè)計(jì)與培育3個(gè)項(xiàng)目提供材料、數(shù)據(jù)、育種服務(wù)的支撐。

開展共用通量技術(shù)研發(fā)，包括作物全生育期、高通量、無損表型分析技術(shù)、基于下一代測序技術(shù)的高通量基因型分析技術(shù)、作物種子激光切削與DNA快速提取技術(shù)、種質(zhì)資源條碼溯源與數(shù)據(jù)庫建設(shè)。

開展協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)，以與中科院有長期合作關(guān)系的國內(nèi)、國外優(yōu)勢單位為對象，合作建設(shè)國際和國內(nèi)分子育種協(xié)同創(chuàng)新中心。

4　專項(xiàng)進(jìn)展

目前分子設(shè)計(jì)育種先導(dǎo)專項(xiàng)已建立起從分子模塊解析、分子模塊系統(tǒng)解析和耦合組裝到品種分子設(shè)計(jì)與培育與育種基地完善的完整鏈條，各項(xiàng)目按計(jì)劃推進(jìn)，高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效分子模塊解析和耦合新品系的培育研究取得了階段成果，育種基地與配套設(shè)施（技術(shù)）建設(shè)進(jìn)展順利。

（1）分子模塊解析。通過遺傳資源材料的評價(jià)，獲得了108份高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)高效的優(yōu)異模塊供體材料。初步解析了13個(gè)水稻的分子模塊，包括水稻高產(chǎn)分子模塊dep5、dep6、GS8.1、GS8.2、NPT1 和NPT2等，抗稻瘟病分子模塊Pizs，抗紋枯病分子模塊RSR1，耐冷分子模塊P204、A170V和S229N以及氮高效利用分子模塊Chr1和ARE1等。

（2）分子模塊系統(tǒng)解析和耦合組裝。通過對302份代表性大豆種質(zhì)深度重測序發(fā)現(xiàn)大豆在馴化和改良過程中遺傳多態(tài)性明顯降低，揭示了大豆育種中的選擇瓶頸效應(yīng)；進(jìn)而通過基因組分析，在馴化階段鑒定出121個(gè)強(qiáng)選擇信號(hào)，在品種改良階段鑒定出109個(gè)強(qiáng)選擇信號(hào)；通過全基因組關(guān)聯(lián)分析并整合前人QTLs分析，發(fā)現(xiàn)很多選擇信號(hào)和油相關(guān)性狀有關(guān)，說明大豆產(chǎn)油性狀受人工選擇較多，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共同調(diào)控油的代謝，從而引起不同種質(zhì)油相關(guān)性狀的變異（圖1和2）。研究還定位了一系列重要農(nóng)藝性狀的調(diào)控位點(diǎn)，明確了一些基因在區(qū)域化選擇中的作用，如控制花周期的E1，控制生長習(xí)性的Dt1，控制絨毛顏色的T等。為大豆重要農(nóng)藝性狀調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究奠定了重要基礎(chǔ)。該成果發(fā)表在Nature Biotechnolo?gy上（DOI：10.1038/nbt.3096）。

圖1　代表性大豆種質(zhì)在馴化和改良中的遺傳多樣性變化（a）302份代表性大豆種質(zhì)。（b）在馴化和改良中的遺傳多樣性

（3）品種分子設(shè)計(jì)與培育。對東北稻區(qū)及長江中下游粳稻主栽品種進(jìn)行了系統(tǒng)研究，明確這些主栽品種在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等方面所遺缺的分子模塊。在東北稻區(qū)，以空育131、稻花香2號(hào)、吉粳88、鹽豐47等為底盤品種，分別導(dǎo)入稻瘟病抗性、優(yōu)良株型、香味和低直鏈淀粉含量等分子模塊，以彌補(bǔ)這些主栽品種所遺缺的分子模塊。共獲得了1 000多份抗稻瘟病、香味和長粒性狀多模塊聚合材料。2014年有13個(gè)新品系參加國家北方水稻、黑龍江省和吉林省預(yù)試與區(qū)試，并有6個(gè)水稻新品系進(jìn)入下一輪區(qū)試試驗(yàn)。2015年將新增10個(gè)新品系參加?xùn)|北地區(qū)品種試驗(yàn)。在長江下游稻區(qū)，主要以武育粳30號(hào)為底盤品種，通過導(dǎo)入優(yōu)良WX基因等位變異和穗型基因模塊，改良其稻米品質(zhì)和灌漿充實(shí)度。并以嘉恢193等恢復(fù)系為底盤品種，導(dǎo)入理想株型基因IPA1和不同抗性基因的分子模塊，獲得了2 000多份育種中間材料，育成25個(gè)含有改良目標(biāo)模塊的優(yōu)良新品系（圖3 和4）。2014年有4個(gè)新品系參加南方稻區(qū)國家及不同省市新品種預(yù)試或區(qū)試，并通過當(dāng)年試驗(yàn)，進(jìn)入下一輪區(qū)試試驗(yàn)，2015年將繼續(xù)推薦4個(gè)新品系參加南方稻區(qū)的預(yù)試和區(qū)試。

圖2　大豆馴化改良位點(diǎn)和相關(guān)性狀a大豆馴化（從野生到農(nóng)家種）選擇信號(hào)和所對應(yīng)的相關(guān)性狀。b和c油含量分子模塊系統(tǒng)。d種子大小分子模塊系統(tǒng)。e生長習(xí)性分子模塊系統(tǒng)。f大豆改良（從農(nóng)家種到栽培品種）選擇信號(hào)和所對應(yīng)的相關(guān)性狀。g種皮顏色分子模塊系統(tǒng)。h絨毛形態(tài)分子模塊系統(tǒng)

圖3　導(dǎo)入IPA1基因分子模塊的水稻新品系

（4）分子設(shè)計(jì)育種基地完善與能力提升。按目標(biāo)作物和動(dòng)物，啟動(dòng)?xùn)|北、華北、華東、華中、西南和海南6個(gè)分子育種基地設(shè)施設(shè)備完善，累計(jì)擴(kuò)租土地165畝，完成了土地平整及灌溉設(shè)施升級改造1 200畝，年繁育水稻等作物株系組合能力達(dá)150萬份，年鑒定耐鹽小麥株系達(dá)1 000個(gè)、玉米株系2 100個(gè)，水稻耐鹽堿性鑒定達(dá)200份，小麥育種材料條銹病抗性年鑒定能力達(dá)5 600份；小麥年度夏繁加代能力達(dá)13 000份；家豬基地年繁育實(shí)驗(yàn)用豬能力達(dá)3 000頭以上，草魚親子鑒定年度可達(dá)1萬尾，鯉親本表型鑒定達(dá)500尾以上。作物種子半低溫超干儲(chǔ)存能力（儲(chǔ)存期＞10年）達(dá)5 000份，種子室溫干燥儲(chǔ)存能力（存儲(chǔ)期＞4年）達(dá)5萬份以上。研發(fā)無損表型分析技術(shù)1套、種子切削取樣技術(shù)1套、種質(zhì)條碼溯源編碼技術(shù)1套，在育種基地原地繁育、鑒定、通量化表型與基因型鑒定平臺(tái)和通用技術(shù)研發(fā)方面取得階段性成果。

圖4　空育131聚合抗稻瘟病和長粒基因模塊的穩(wěn)定系

5　發(fā)展展望

分子設(shè)計(jì)育種先導(dǎo)專項(xiàng)的組織實(shí)施標(biāo)志著我國育種事業(yè)進(jìn)入了基因組育種新的發(fā)展階段，將開啟我國設(shè)計(jì)育種的新篇章。分子設(shè)計(jì)育種專項(xiàng)立項(xiàng)實(shí)施以來的進(jìn)展表明，各項(xiàng)研究任務(wù)有望取得預(yù)期成果：水稻復(fù)雜性狀全基因組編碼規(guī)律、多模塊非線性耦合理論、分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)等方面取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)或突破，建立分子設(shè)計(jì)育種的技術(shù)體系，為未來5年乃至更長時(shí)間育種科學(xué)的發(fā)展做好了技術(shù)準(zhǔn)備、奠定了快速發(fā)展基礎(chǔ)。

5.1“分子模塊辭?！保核緩?fù)雜性狀全基因組編碼規(guī)律

傳統(tǒng)常規(guī)育種方法是建立在有性雜交的基礎(chǔ)上，通過遺傳重組和表型選擇進(jìn)行品種培育。然而常規(guī)育種中優(yōu)良基因疊加依賴表型判斷，選擇正確率低且易受環(huán)境因素影響，利用常規(guī)育種技術(shù)已經(jīng)很難育成突破性新品種。分子標(biāo)記輔助育種實(shí)現(xiàn)了由表型選擇到基因型選擇的過渡，可以有效提高目標(biāo)性狀改良的效率和準(zhǔn)確性，在農(nóng)業(yè)生物遺傳育種中逐步得到廣泛應(yīng)用。高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效等重要農(nóng)藝性狀大都是由多基因控制的復(fù)雜性狀，而且其基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)常呈現(xiàn)“模塊化”的特性。分子模塊是指由主效基因及其互作的多基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)組合并可進(jìn)行遺傳操作的功能單元，作為一個(gè)整體負(fù)責(zé)相關(guān)模塊功能的發(fā)揮與目標(biāo)性狀的形成。因此，發(fā)掘和解析控制農(nóng)作物復(fù)雜性狀形成的分子模塊并將它們有效地耦合，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物復(fù)雜性狀分子改良的基礎(chǔ)，所形成的技術(shù)體系將成為品種分子設(shè)計(jì)理論的源頭創(chuàng)新。

基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和計(jì)算生物學(xué)等新興學(xué)科的快速發(fā)展，以及大量分子標(biāo)記技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，使復(fù)雜性狀的遺傳結(jié)構(gòu)和功能解析成為可能。分子模塊育種體系項(xiàng)目通過基因組測序、全基因組關(guān)聯(lián)分析等多種組學(xué)手段，發(fā)掘和鑒定水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示復(fù)雜性狀形成的分子模塊基礎(chǔ)，首次系統(tǒng)解析和獲得水稻復(fù)雜性狀的分子模塊，并在相同遺傳背景下檢測其生物學(xué)效應(yīng)，闡明基因型-表型的對應(yīng)關(guān)系，并最終編纂成對水稻乃至其他禾谷類等育種改良具指導(dǎo)意義的基于網(wǎng)絡(luò)開放式的、最權(quán)威的數(shù)據(jù)庫集成（圖5）。

分子模塊系統(tǒng)解析為研究水稻起源、演化和培育分子設(shè)計(jì)新品種奠定基礎(chǔ)，對于深入了解復(fù)雜性狀形成的分子機(jī)制，引領(lǐng)該領(lǐng)域基礎(chǔ)及應(yīng)用基礎(chǔ)研究都具有劃時(shí)代意義，將使水稻育種提升到知悉全基因組序列基礎(chǔ)上，目的性極為明確的單一性狀或多個(gè)性狀、主效和微效基因的有效聚合，實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)育種史上的重大跨越。

圖5　“分子模塊辭?！保核緩?fù)雜性狀全基因組編碼規(guī)律

5.2多模塊非線性耦合理論

作物重要農(nóng)藝性狀（如產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆性、營養(yǎng)高效吸收轉(zhuǎn)運(yùn)等）的復(fù)雜遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)使得常規(guī)育種難以取得突破性進(jìn)展。農(nóng)藝性狀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性主要體現(xiàn)在兩個(gè)層次：（1）其受到多基因控制，各個(gè)性狀的分子遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)“分子模塊系統(tǒng)”特征；（2）“分子模塊系統(tǒng)”在生物體中并非獨(dú)立行使功能，它們之間存在著復(fù)雜的互作關(guān)系。由此可見，只有在系統(tǒng)解析復(fù)雜性狀的分子模塊系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，明確各“分子模塊系統(tǒng)”的互作關(guān)系，才可最大限度發(fā)揮育種的潛力。

該專項(xiàng)通過基因組、轉(zhuǎn)錄組、代謝組、表型組、表觀組等多種組學(xué)分析，解析復(fù)雜性狀的分子模塊系統(tǒng)，明確各個(gè)復(fù)雜性狀分子模塊內(nèi)部元件的組成，在此基礎(chǔ)上采用計(jì)算生物學(xué)手段，發(fā)展包括代謝調(diào)控、物質(zhì)運(yùn)輸與分配、器官形成、生長發(fā)育及作物與環(huán)境互作等多個(gè)過程的理論模型，建立模型參數(shù)與分子模塊間的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，在細(xì)胞、組織、器官、個(gè)體及至群體等多層次對各個(gè)分子模塊元件之間的互作關(guān)系及其對不同性狀的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析。

利用模型，根據(jù)各分子模塊元件在自然群體中的單倍體型組合及分子模塊信息，模擬計(jì)算不同分子模塊在單個(gè)復(fù)雜性狀形成以及不同復(fù)雜性狀相互影響中的耦合效應(yīng)：（1）明確控制單一復(fù)雜性狀的主效模塊、微效模塊；（2）解析單一復(fù)雜性狀中主效模塊與主效模塊、主效模塊與微效模塊、微效模塊與微效模塊間的復(fù)雜互作關(guān)系（如顯性、疊加、上位、拮抗等效應(yīng)），及其在該性狀形成中的決定性作用；（3）模塊及模塊間相互作用對于系統(tǒng)特定性狀的影響；（4）解析不同復(fù)雜性狀形成中主效模塊與微效模塊的互作關(guān)系，闡明各模塊在不同復(fù)雜性狀形成的動(dòng)態(tài)效應(yīng)及控制不同復(fù)雜性狀各個(gè)主效模塊對其他性狀形成的效應(yīng)等，從而揭示“一因多效”及“多因一效”的分子機(jī)制，進(jìn)而為在作物多性狀系統(tǒng)水平上的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

然后，通過雜交組合群體（如重組自交系、近等基因系、單片段替換系等），找出遺傳背景一致、只有特定分子模塊元件及其組合進(jìn)行替代的多個(gè)個(gè)體，對上述的分子模塊元件在單個(gè)復(fù)雜性狀形成以及不同復(fù)雜性狀相互影響中的耦合效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整多模塊耦合效應(yīng)模型建立中的各個(gè)參數(shù)和函數(shù)，經(jīng)過循環(huán)調(diào)整，最終建立“多模塊非線性耦合理論”（圖6）。

該理論關(guān)鍵參數(shù)與其對應(yīng)分子模塊間的函數(shù)關(guān)系可明確多分子模塊互作對復(fù)雜性狀的綜合調(diào)控潛力。該理論的建立是從“分子模塊辭?！钡綄?shí)現(xiàn)“全基因組導(dǎo)航”分子模塊設(shè)計(jì)育種的理論橋梁和基礎(chǔ)，可指導(dǎo)將分散在不同品種中的優(yōu)勢基因，通過傳統(tǒng)回交、復(fù)交、雜交等技術(shù)聚合到同一個(gè)體中，在分離世代中通過分子標(biāo)記選擇含有多個(gè)分子模塊的個(gè)體，從中再選出具有優(yōu)秀生產(chǎn)性狀的個(gè)體，最終實(shí)現(xiàn)有利分子模塊的組裝，達(dá)到優(yōu)化性狀的目標(biāo)。

圖6　多模塊非線性耦合理論

5.3“全基因組導(dǎo)航”分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)

常規(guī)育種技術(shù)是將兩個(gè)或多個(gè)親本之間進(jìn)行有性雜交，并經(jīng)過連續(xù)自交和回交，在其后代群體中，根據(jù)田間生長表現(xiàn)篩選優(yōu)良單株，繁殖成株系，經(jīng)過連續(xù)多年、多點(diǎn)的比較試驗(yàn)，確定優(yōu)良品系參加品種審定部門組織的品比試驗(yàn)，最終審定成為新品種。由于雜交后代群體中，不同單株的基因型種類和數(shù)量非常復(fù)雜而龐大，育種家往往在雜交的低世代就開始選擇其心目中的理想個(gè)體。這種僅依賴表型的選擇，往往會(huì)導(dǎo)致許多優(yōu)良基因型個(gè)體不能進(jìn)入育種家的視野而遭淘汰。同時(shí)，由于優(yōu)良基因型往往分布于眾多親本材料中，僅選擇少數(shù)幾個(gè)親本進(jìn)行雜交，最終將大多數(shù)優(yōu)良基因型聚合到同一品種中則幾乎無法實(shí)現(xiàn)。這就是長期以來常規(guī)育種技術(shù)難以獲得重大突破的技術(shù)瓶頸，如果不從根本上改變現(xiàn)行的育種策略，尋找高效而科學(xué)的育種方法，已很難改變現(xiàn)有品種生產(chǎn)潛力長期停滯不前的局面，育成有品質(zhì)的突破的優(yōu)良品種。

“分子模塊導(dǎo)航育種”是一種全新的育種技術(shù)（圖7），專門為解決常規(guī)育種技術(shù)瓶頸而設(shè)計(jì)產(chǎn)生的。通過“分子模塊導(dǎo)航育種”，可以讓育種科學(xué)家從一個(gè)龐大育種群體中，高效而又有針對性地選擇最理想基因型個(gè)體，并最終塑造成理想的推廣品種?！胺肿幽K導(dǎo)航育種”將第一次系統(tǒng)地描述和建立分子模塊設(shè)計(jì)育種理論體系，通過對已有基因組進(jìn)行掃描檢測，從而獲得基因組的海量信息。利用這些信息并結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建一門新的育種理論和技術(shù)。通過它可以快速、準(zhǔn)確地預(yù)測雜交群體中哪一個(gè)體是聚合眾多優(yōu)良基因型的個(gè)體。同時(shí)也可以根據(jù)育種科學(xué)家的需要，高效預(yù)測現(xiàn)有推廣品種中所遺缺或者需要改良的基因型組合，為育種科學(xué)家培育理想品種提供最佳育種策略和方案。

然而，這一切都必須建立在系統(tǒng)性的結(jié)構(gòu)與功能基因組研究成果之上。水稻是目前基因組及分子生物學(xué)研究最為成功的糧食作物，也正是如此，在水稻上開展基因組分子設(shè)計(jì)育種的時(shí)機(jī)已日漸成熟，相關(guān)研究也已在世界范圍內(nèi)廣泛展開，并取得了一系列成果。在日本，品種“越光”是一個(gè)非常優(yōu)秀的粳稻品種，但在長期推廣和種植過程中，該品種逐漸表現(xiàn)出諸多不足而影響其更大面積的推廣。育種科學(xué)家利用分子改良手段，對越光進(jìn)行了不同性狀的遺傳改良。通過改良其抗倒伏性育成了“越光筑波”和“越光”H4號(hào)，改良產(chǎn)量育成了“越光”H2號(hào)，而同時(shí)改良多個(gè)性狀育成“越光籽”1號(hào)—11號(hào)等不同品種。

可以預(yù)期“分子模塊導(dǎo)航育種”的成果將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20世紀(jì)60年代半矮稈基因利用所帶來的“綠色革命”，它是整合20世紀(jì)末獲得迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、基因組技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)及合成生物學(xué)技術(shù)等眾多重大研究成果，并將成為分子育種研究的最終目標(biāo)和出口。

專項(xiàng)提出的分子模塊育種技術(shù)體系正是為實(shí)現(xiàn)我國育種技術(shù)發(fā)展重大需求和導(dǎo)向而努力探索的新型育種技術(shù)體系。由于復(fù)雜性狀是基因與基因、基因與環(huán)境互作的產(chǎn)物，綜合運(yùn)用分子生物學(xué)、基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)等前沿生物學(xué)研究的最新成果，對控制農(nóng)業(yè)生物復(fù)雜性狀的重要基因及其等位變異進(jìn)行功能研究，解析功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的可遺傳操作的功能單元，即分子模塊；采用計(jì)算生物學(xué)和合成生物學(xué)等手段將這些模塊有機(jī)耦合，開展理論模擬和功能預(yù)測，系統(tǒng)地發(fā)掘分子模塊互作對復(fù)雜性狀的綜合調(diào)控潛力；實(shí)現(xiàn)模塊耦合與遺傳背景及區(qū)域環(huán)境三者的有機(jī)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，發(fā)揮分子模塊群對復(fù)雜性狀最佳的非線性疊加效應(yīng)，有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性狀的定向改良。因此，分子模塊設(shè)計(jì)育種是一項(xiàng)前瞻性、戰(zhàn)略性研究，是生命科學(xué)前沿科學(xué)問題與育種實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，為引領(lǐng)未來生物技術(shù)發(fā)展帶來了新的契機(jī)。

圖7　“全基因組導(dǎo)航”分子模塊育種技術(shù)示意圖

1薛勇彪，王道文，段子淵.分子設(shè)計(jì)育種研究進(jìn)展.中國科學(xué)院院刊，2007，22（6）：486-490.

薛勇彪 中科院北京基因組所所長，研究員。中科院分子模塊育種創(chuàng)新體系先導(dǎo)專項(xiàng)首席科學(xué)家。兼任中國遺傳學(xué)會(huì)副理事長兼秘書長、中國作物學(xué)會(huì)副理事長、Journal of Genetics and Genomics主編，《中國科學(xué)》、Genetics，Theoretical and Applied Genetics、Plant Reproduction、BMC Plant Biology等刊物的副主編或編委以及F1000成員。主要從事植物分子遺傳學(xué)和分子育種領(lǐng)域的研究，揭示了茄科類植物花粉自交不親和性的分子機(jī)制，發(fā)表SCI期刊論文94篇。E-mail：ybxue@genetics.ac.cn

XueYongbiao，His research interests mainly focus on plant molecular genetics and breeding.His group has made breakthrough contributions to reveal the molecular identify and function of the pollen component controlling Solanaceae-type self-incompatibility in angiosperms.He has served as Chief Scientist of the Strategic Research Project of Molecular Module-based Designer Breeding System of the Chinese Academy of Sciences（CAS）since 2013.Has served as Associate Director and Director of the Institute of Genetics and Developmental Biology from 2001 to 2004 and 2004-2014，respectively and is now Director of Beijing Institute of Genomics of CAS.He is Vice President and General Secretary of the Genetics Society of China and Vice President of the Crop Science Society of China，Editor-in-Chief of Journal of Genetics and Genomics，associate editors or editors of Science China，Genetics，Theoretical and Applied Genetics，Plant Reproduction，and BMC Plant Biology as well as Faculty Member of F1000.E-mail：ybxue@genetics.ac.cn

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New Chapter of Designer Breeding in China：Update on Strategic Program of Molecular Module-Based Designer Breeding Systems

Xue Yongbiao1Zhong Kang2Han Bin3Gui Jianfang4Wang Tai2Fu Xiangdong1He Zuhua3Chu Chengcai1Tian Zhixi1Chen Zhukuan1Lin Shaoyang1
（1 Institute of Genetics and Developmental Biology，ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100101，China；2 Institute of Botany，ChineseAcademy of Sciences，Beijing 100093，China；3 Shanghai Institutes for Biological Sciences，ChineseAcademy of Sciences，Shanghai 200031，China；4 Institute of Hydrobiology，ChineseAcademy of Sciences，Wuhan 430072，China）

Sustained and stable productions of main agricultural products such as rice，wheat，and fish are essential to guarantee food security in China，which depends on innovations in breeding theories and technologies. Using genetic resources of rice as well as wheat and fish，and a combination of omics，systems biology，and synthetic biology，a strategic program named the Molecular Module-based Designer Breeding Systems was initiated in 2013 and aimed to（1）dissect molecular modules controlling complex traits including yield，stress tolerance，quality，and nutrient efficiency；（2）reveal the molecular mechanisms of complex trait formation at genome-scale，and the coupling mechanisms of diverse molecular modules，（3）develop the techniques for an optimized genome-wide multi-module assembly and an effective designer breeding scheme.Moreover，this project also aimied to establish a systematic solution for designing and breeding elite varieties.This program includesfour projects：（1）mining and functional analysis of molecular modules controlling complex traits；（2）analysis of module systems and their coupling effects；（3）molecular design and breeding of elite varieties；and（4）construction of breeding bases and pipelines for designer breeding.Within the first five years of the program，it aims to obtain 16-20 molecular modules and 12-15 module systems applicable in designer breeding，1-2 computational models used for evaluating the coupling effect of diverse modules，achieve an optimal coupling assembly of yield，quality，tolerance，and nutrient efficiency，and breed 10-15 designer varieties.So far，this program has dissected 20 modules from rice including 5 for high yield，2 for resistance to rice blast and banded sclerotial blight，3 for tolerance to cold，and 2 for nitrogen utilization efficiency.It has revealed several module systems controlling oil biosynthesis in soybean，and bred 14 designer rice varieties for field tests or regional trials.In addition，promising progresses have been achieved in establishing breeding bases and pipelines.The program is expected to make substantial contributions to upgrading both crop and animal breeding technologies.

rice，complex traits，molecular module，molecular module-based designer breedings，module coupling and assembly，breeding technology upgrading

10.16418/j.issn.1000-3045.2015.03.014

中科院分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA08000000）

修改稿收到日期：2015年4月10日