小麥常規(guī)育種與分子育種的結(jié)合探討

趙吉平 ，任杰成 ，郭鵬燕，許 瑛，周 偉

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，山西汾陽(yáng)032200；2.汾陽(yáng)市氣象局，山西汾陽(yáng)032200）

目前，我國(guó)小麥種植依舊存在單產(chǎn)增速慢、整體品質(zhì)不高、抗病性較差等問題，這些問題要想徹底改觀，就必須從小麥遺傳基因的角度出發(fā)，通過分子育種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小麥育種問題的改善，并結(jié)合小麥遺傳特性，加大探索力度，提高小麥單產(chǎn)和品質(zhì)，增強(qiáng)其抗病抗逆性，這也是目前我國(guó)小麥傳統(tǒng)育種發(fā)展的方向。然而，當(dāng)前我國(guó)分子育種技術(shù)正處于研發(fā)應(yīng)用時(shí)期，并未普及和應(yīng)用，為了充分發(fā)揮育種技術(shù)的作用，還需要把常規(guī)小麥育種方式融合其中，以實(shí)現(xiàn)小麥育種技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新。

1 分子育種的基本概述

分子育種主要是把分子生物學(xué)技術(shù)科學(xué)地應(yīng)用到育種環(huán)節(jié)中，在分子水平的作用下實(shí)現(xiàn)育種，是當(dāng)前生物技術(shù)和遺傳育種方式的融合形式。通過應(yīng)用分子育種技術(shù)，在綜合表現(xiàn)型以及基因型的作用下，實(shí)現(xiàn)種子的科學(xué)選擇，繼而選擇出遺傳基因穩(wěn)定和品質(zhì)優(yōu)良的種子[1]。其作為一項(xiàng)現(xiàn)代化生物學(xué)育種方式，將會(huì)對(duì)種子各項(xiàng)性狀加以選擇，明確最佳親本選擇和后代選擇對(duì)策，進(jìn)而提升育種概率。此外，分子育種技術(shù)可以確保種子的整體品質(zhì)，在產(chǎn)量以及抗病蟲等方面起到了良好的篩選作用。

2 分子育種的基本類型

2.1 轉(zhuǎn)基因育種

轉(zhuǎn)基因育種作為一種結(jié)合目標(biāo)要求實(shí)現(xiàn)篩選的技術(shù)，首先，應(yīng)該對(duì)育種結(jié)果屬性進(jìn)行明確；其次，結(jié)合對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，選擇對(duì)應(yīng)的供體；再者，在基因分離技術(shù)的作用下，可以把目的基因從供體中分離出來，并在DNA重新組合的背景下，把基因融合到受體中，之后把這些接受轉(zhuǎn)基因的種子栽培到土壤中，以此選擇出表現(xiàn)較為穩(wěn)定的植株；最后，通過試驗(yàn)測(cè)試選擇品質(zhì)優(yōu)良的轉(zhuǎn)基因新品種。在國(guó)際上小麥轉(zhuǎn)基因技術(shù)最早應(yīng)用的時(shí)間為1992年，是由VASIL等[2]把小麥品種中的Gus/Bar基因?qū)胄←溒贩NPavon中，實(shí)現(xiàn)相關(guān)基因的提取。我國(guó)著名生物學(xué)家龐俊蘭通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，把特殊小麥中含有的土傳花葉病毒抗性基因?qū)氲匠Ｒ?guī)小麥中，獲取了145株再生植株，轉(zhuǎn)化概率超過0.99%[3-5]。轉(zhuǎn)基因技術(shù)雖然工作原理較為簡(jiǎn)單，但是其含有的基因分離技術(shù)以及DNA重組技術(shù)在執(zhí)行環(huán)節(jié)中將會(huì)存在一定的難度和復(fù)雜性。所以，在實(shí)施轉(zhuǎn)基因育種工作時(shí)，轉(zhuǎn)化概率相對(duì)不穩(wěn)，同時(shí)結(jié)合外源基因提取以及導(dǎo)入難度情況的改變，有待進(jìn)一步探究和試驗(yàn)。

2.2 分子標(biāo)記輔助選擇育種

分子標(biāo)記輔助選擇育種作為一項(xiàng)選擇性育種基因形式，其工作原理在于結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)，對(duì)個(gè)體進(jìn)行核查和篩選，并明確其是否含有目的基因存在。分子標(biāo)記輔助選擇育種，可以利用DNA序列實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體的選擇，防止植物在生長(zhǎng)中受到環(huán)境等因素的影響，進(jìn)而可以讓選擇選育得到的種子更具穩(wěn)定性[6-8]。同時(shí)，在相關(guān)技術(shù)操作熟練的情況下，可以利用選擇基因性狀的方式，促進(jìn)育種篩選效率的提升，從而加快育種進(jìn)程，保證育種整體效果。我國(guó)小麥在品種選育方面，已經(jīng)獲取了一定的成果，并且分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的運(yùn)用，提升了小麥的品質(zhì)、豐產(chǎn)性及抗病性和抗逆性等，農(nóng)大399和周麥27號(hào)[7]的成功育成就是很好的佐證。

2.3 分子設(shè)計(jì)育種

分子設(shè)計(jì)育種是一項(xiàng)正處于研發(fā)中的育種技術(shù)，其主要是以生物信息學(xué)為主體，以生物基因組以及蛋白質(zhì)組為核心，通過構(gòu)建完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，再結(jié)合作物遺傳學(xué)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)既定育種目標(biāo)，設(shè)計(jì)最佳親本選配，制定完善的后代選擇對(duì)策，進(jìn)行育種試驗(yàn)。分子設(shè)計(jì)育種則是根據(jù)育種目標(biāo)實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)的設(shè)定，其包含的技術(shù)領(lǐng)域較多，隨著對(duì)染色體片段置換的構(gòu)建和小麥基因流程、QTL定位分離等技術(shù)的全面發(fā)展，在不久的將來分子設(shè)計(jì)育種必將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而在技術(shù)方面，排除外界環(huán)境給小麥育種效果帶來的不良影響，使整體育種育術(shù)和操作流程實(shí)現(xiàn)科學(xué)把控，提升小麥育種的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)小麥產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病抗逆性向預(yù)定的目標(biāo)發(fā)展[9]。

3 小麥育種采取的主要方式

3.1 常規(guī)育種

常規(guī)育種在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛并且成果顯著，其可以對(duì)諸多基因控制的多個(gè)性狀進(jìn)行綜合改良，以擴(kuò)大變異范圍，在作物品種創(chuàng)新方面發(fā)揮著重要的作用。常規(guī)育種一般是利用普通小麥基因進(jìn)行交換重組，進(jìn)而形成新的品種，然而，這種重組可能存在一定的漏洞。例如，小麥具有的病害抗性基因，由于病菌生理小種的改變而喪失抗性。生產(chǎn)上對(duì)品種性狀的要求越來越復(fù)雜，需要不斷引進(jìn)新的基因以滿足生產(chǎn)需求。

3.2 誘變育種

在自然環(huán)境中，由于外界環(huán)境發(fā)生一定改變，導(dǎo)致遺傳結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，作物自身會(huì)出現(xiàn)偶然突變狀況。這種突變產(chǎn)生的概率較少，并且由于作物種類以及基因存在差異，導(dǎo)致突變現(xiàn)象也會(huì)大不相同。人工突變可以讓自然突變頻率得到大幅度提升，使定向地創(chuàng)造以及篩選新的變異成為可能。育種實(shí)踐證明，誘變育種技術(shù)在作物品種改良上具有獨(dú)特的作用，它是獲得新種質(zhì)資源和選育新品種的有效途徑之一。小麥誘變育種一般是人為地利用物理誘變和化學(xué)誘變，誘導(dǎo)小麥遺傳因素出現(xiàn)不同程度的改變，在短時(shí)間內(nèi)可以獲得具有應(yīng)用價(jià)值的突變體，結(jié)合育種目標(biāo)和要求，合理選擇新品種，并將其運(yùn)用到生產(chǎn)中，或者將創(chuàng)造的新種質(zhì)在育種中加以利用。通常情況下，只有將常規(guī)育種和分子育種這2種方式結(jié)合起來，使其相互促進(jìn)，協(xié)調(diào)發(fā)展，才能夠有效提升育種效率和質(zhì)量。

3.2.1 物理誘變 通常情況下，應(yīng)用的物理誘變劑一般以x射線、γ射線、中子以及β射線為主，其中運(yùn)用較為廣泛的為x射線和γ射線[10-11]。這是由于這些射線中含有較強(qiáng)能力的穿透性，能夠把原子內(nèi)層中含有的電子激活和釋放，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)共價(jià)鍵斷裂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)染色體變異。而中子不含有帶電物質(zhì)，當(dāng)其與生物內(nèi)部原子核發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致原子核中物質(zhì)和γ射線中物質(zhì)進(jìn)行交換，導(dǎo)致DNA變異[12-13]。

3.2.2 化學(xué)誘變 化學(xué)誘變劑通常是以部分結(jié)構(gòu)不平穩(wěn)的化合物為主，例如，甲基磺酸乙酯、亞硝基化合物、疊氮化合物、抗生素、堿基類似物等，其中，甲基磺酸乙酯是一項(xiàng)公認(rèn)的應(yīng)用效果最為顯著的化學(xué)藥劑，在其作用下，可以直接實(shí)現(xiàn)分子的降解和突變[14]。

3.2.3 生物誘變 生物誘變因素主要是指在外源目的基因、轉(zhuǎn)座子基因以及逆轉(zhuǎn)座子基因的作用下，實(shí)現(xiàn)作物基因的轉(zhuǎn)變和突變，同時(shí)在離體培育的環(huán)境下，形成體細(xì)胞無性系變異，從而獲取具備理想應(yīng)用價(jià)值的突變體誘變技術(shù)。因?yàn)檗D(zhuǎn)基因技術(shù)和離體組織培養(yǎng)技術(shù)已經(jīng)成為目前生物學(xué)研究的核心內(nèi)容，這種突變類型的誘變技術(shù)在該領(lǐng)域中所占據(jù)的地位越來越重要[15]。

3.3 分子育種

分子育種技術(shù)主要是分子生物學(xué)技術(shù)與品種改良技術(shù)進(jìn)行融合之后得出的。這種技術(shù)最早產(chǎn)生于2003年，是由荷蘭科學(xué)家PELEMAN首次提出，并且其還申請(qǐng)注冊(cè)了“Breeding by design”的商標(biāo)。根據(jù)其理念，分子育種技術(shù)應(yīng)用原理在于對(duì)作物中控制目標(biāo)性狀的QTLs位點(diǎn)進(jìn)行定位與分析，并找出各個(gè)基因的等位變異對(duì)表型的效應(yīng)值[16]，因?yàn)榛蛲a(chǎn)生在染色體上，相同染色體中的基因?qū)?huì)出現(xiàn)連鎖交換狀況。此外，基因表達(dá)環(huán)節(jié)還會(huì)受到其他調(diào)控因子的影響，不同基因之互作也普遍出現(xiàn)[17]。所以，作物分子育種應(yīng)該以生物信息學(xué)、基因組學(xué)以及蛋白質(zhì)學(xué)等為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用生理生化、生物統(tǒng)計(jì)以及作物遺傳等學(xué)科，根據(jù)作物具體育種目標(biāo)和生長(zhǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)最佳的科學(xué)試驗(yàn)方案，然后展開作物育種試驗(yàn)工作。

4 小麥常規(guī)育種與分子育種的結(jié)合對(duì)策

4.1 綜合制定育種方式

通常情況下，育種方式科學(xué)設(shè)定是小麥常規(guī)育種的核心內(nèi)容，也是把分子育種技術(shù)運(yùn)用到小麥常規(guī)育種工作中的重點(diǎn)內(nèi)容。在進(jìn)行育種方式設(shè)定的過程中，應(yīng)該科學(xué)選擇分子育種技術(shù)，從基因?qū)用嫒胧?，控制育種性能以及性狀表現(xiàn)，從而培育出遺傳基因穩(wěn)定的后代。在應(yīng)用分子育種技術(shù)的過程中，轉(zhuǎn)基因技術(shù)通?？梢詫?shí)現(xiàn)基因的傳遞和共享，是一項(xiàng)擴(kuò)充育種范圍的技術(shù)，而分子標(biāo)記輔助選擇育種則是目前最全面、最廣泛的一項(xiàng)分子育種技術(shù)，同時(shí)也給當(dāng)前小麥育種提供了一條捷徑。例如，把綜合性狀小麥當(dāng)作受體，與具備目標(biāo)基因的供體親本進(jìn)行雜交，獲取F1，再通過F1回交，將QTL進(jìn)行目標(biāo)基因定位，再利用輔助標(biāo)記進(jìn)行選擇[18]。通過2～3次回交，運(yùn)用分子輔助標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行改良，選擇出與目標(biāo)基因更相似的優(yōu)良品種。最后通過田間種植試驗(yàn)，可以獲得目標(biāo)性狀穩(wěn)定的小麥品種，這也是一種高效的育種方式。結(jié)合目標(biāo)基因種類，進(jìn)行多次跟蹤選種，直到選到完全具備目標(biāo)性狀的優(yōu)良品種。實(shí)現(xiàn)分子育種技術(shù)和小麥常規(guī)育種技術(shù)綜合利用，規(guī)范的育種方式，能夠充分激發(fā)分子育種技術(shù)的自身作用，實(shí)現(xiàn)小麥常規(guī)育種方式的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

4.2 促進(jìn)基因源的全面擴(kuò)充

現(xiàn)階段，在小麥育種過程中，需要全面擴(kuò)充基因源，特別是在分子育種技術(shù)應(yīng)用力度逐漸加大的背景下，還要對(duì)小麥具體基因序列組合加以明確，開拓育種取材思路，以提升小麥育種水平。當(dāng)前，小麥育種基因源擴(kuò)充的方式，一般采用尋找新的小麥類型，并從中找出新型的基因種類，在此環(huán)節(jié)中，QTL具備較強(qiáng)的可行性。通過對(duì)小麥基因的探究，可以精準(zhǔn)地找出新型的基因源。在這方面獲取一定成果的原因在于7DL.7Ag易位系，這是當(dāng)前外源基因應(yīng)用于小麥品質(zhì)改善的典型方式[19]。席章營(yíng)等[20]運(yùn)用分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)在野生番茄中發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)番茄總量增效的等位基因，這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，給小麥品種改良提供了一定借鑒?，F(xiàn)階段，業(yè)界專家學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到基因源擴(kuò)充的必要性，并且加大了基因源的擴(kuò)充力度，這將有利于分子育種技術(shù)的未來發(fā)展以及在小麥常規(guī)育種中的應(yīng)用，同時(shí)給二者的充分融合提供了條件。

4.3 加強(qiáng)優(yōu)良性狀融合

人們均希望獲取的優(yōu)質(zhì)小麥應(yīng)該具備高產(chǎn)和抗病性，同時(shí)具備較強(qiáng)的優(yōu)良特性。然而，通過小麥常規(guī)育種方式，要想選育出優(yōu)質(zhì)的小麥品種將會(huì)存在一定難度或盲目性，也會(huì)使育種環(huán)節(jié)更加繁瑣，并無法確保最終育成的小麥品質(zhì)優(yōu)良。因此，這就需要結(jié)合實(shí)際情況，充分利用分子育種技術(shù)，做好優(yōu)良性狀的融合工作，緩解培育流程難度，培育出具備綜合優(yōu)良特性的小麥。

5 小結(jié)

總而言之，分子育種技術(shù)作為當(dāng)前重點(diǎn)探究的育種技術(shù)，其中涉及了轉(zhuǎn)基因技術(shù)、分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)、分子設(shè)計(jì)技術(shù)等，目前分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小麥育種工作。通過把分子育種技術(shù)和小麥常規(guī)育種方式進(jìn)行融合，不但可以有效保證小麥整體產(chǎn)量、品質(zhì)和抗病性等，同時(shí)還可為我國(guó)小麥育種技術(shù)穩(wěn)定發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。