高通量分子育種：神奇的育種加速器

魯妮 項意恣

高通量分子育種聽起來似乎離我們很遙遠(yuǎn)，分子育種可能還有人聽說過，高通量分子育種可能就沒有多少人知道了。高通量分子育種技術(shù)是農(nóng)業(yè)加速器，可以提高育種速度、縮短育種周期，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。那所謂的高通量分子育種到底是什么呢？

什么是高通量分子育種

“高通量”其實是一個因為市場需求的擴大而產(chǎn)生的概念。由于育種規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)的育種方式以及普通的分子育種實驗室逐漸無法滿足市場的需求，高通量分子育種應(yīng)運而生，高通量分子育種就好比育種技術(shù)進(jìn)入了“大數(shù)據(jù)”時代。高通量分子育種是輔助和加速傳統(tǒng)育種的一個方式，主要通過分子標(biāo)記技術(shù)，對植株的基因進(jìn)行檢測標(biāo)記，進(jìn)行分子層面的輔助選擇、輔助回交育種、雜交種純度檢驗等。

簡單來說，傳統(tǒng)的育種需要育種家把材料全部都種植到地里，然后通過觀察植株的性狀，選擇一些高產(chǎn)、抗病的材料。這樣的方式需要把所有材料都種到地里，效率與準(zhǔn)確率都不高，而且周期比較長。特別是一些抗病、抗蟲的性狀，難以通過經(jīng)驗在短期內(nèi)形成準(zhǔn)確判斷。而高通量分子育種則能在把植株往地里種之前，就快速檢測出某個材料是否抗病、是否高產(chǎn)，從而縮短周期，提高選擇效率，在一定面積的土地上種植更多有效、優(yōu)質(zhì)的單株。

與傳統(tǒng)的分子育種相比，高通量分子育種具有檢測速度更快、成本更低、通量更大等特點，能夠更高效地對更多植株進(jìn)行檢測和反饋。北京通州國際種業(yè)園區(qū)高通量分子育種實驗室主任張東峰介紹：“原來育種家可能每年種兩三畝地，現(xiàn)在一個育種家的種植面積可能會達(dá)到一兩百畝，他需要往地里種的材料非常多。這么多材料如果通過傳統(tǒng)的實驗室去做分子標(biāo)記會很慢，但種植對時間卻是有要求的，例如，玉米最晚4月底就需要種到地里，等到6月才給對方檢測結(jié)果就錯過了最佳種植時機。所以需要高通量，高通量就是可以大規(guī)模、快速地幫助育種家去檢測這些材料。”據(jù)了解，以單株為單位，如果一個單株只測某一個基因的性狀，北京通州國際種業(yè)園區(qū)高通量分子育種實驗室一天可以檢測20萬個單株，相當(dāng)于2000臺常規(guī)96通道PCR儀同時工作的結(jié)果，而常規(guī)的分子育種實驗室可能一天只能檢測一兩千個單株。

哪里可以做高通量分子育種

高通量分子育種已經(jīng)是一項成熟的技術(shù)，現(xiàn)在處于應(yīng)用階段。在 21 世紀(jì)初，國際種業(yè)公司如孟山都、先鋒公司等已經(jīng)采用新一代的單核苷酸多態(tài)性（SNP）分子標(biāo)記檢測技術(shù)，它具有檢測快速、成本低、通量大的特點。在我國，湯斌博士2012年就提出中國迫切需要建立多個大規(guī)模、高效率的高通量分子遺傳育種平臺，引進(jìn)全自動化的單株篩選培育技術(shù)和設(shè)備。目前，我國多地已經(jīng)建立了高通量分子育種實驗室，為育種家或育種單位提供育種服務(wù)。

2014年成立的中玉金標(biāo)記（北京）生物技術(shù)股份有限公司，就建立了以高通量DNA提取平臺、高通量分子標(biāo)記開發(fā)平臺、高通量分子標(biāo)記檢測平臺，以及高通量SNP芯片檢測平臺等四大平臺為核心的分子育種實驗室，可提供種子質(zhì)量檢測服務(wù)、轉(zhuǎn)基因檢測服務(wù)、分子育種服務(wù)等。華智水稻生物技術(shù)有限公司也建立了高通量SNP分子標(biāo)記檢測平臺，每天最多可以做近40萬個DNA數(shù)據(jù)點。北京通州國際種業(yè)科技園區(qū)也積極搭建了高通量分子育種服務(wù)平臺，組建了以分子標(biāo)記技術(shù)為核心的開放實驗室，其高通量分子育種實驗室運用高通量分子標(biāo)記檢測技術(shù)，一天可以檢測20萬個單株。

值得一提的是，一臺高通量分子育種設(shè)備動輒幾百萬元，對普通育種單位來說是一筆昂貴的費用，而且普通育種單位也不需要這么多的實驗數(shù)據(jù)，如果自購設(shè)備進(jìn)行分子育種，對于育種單位來說并不明智，而且還會造成資源浪費。與高通量分子育種實驗室合作進(jìn)行分子標(biāo)記輔助育種，育種家或育種單位就不用承擔(dān)巨額的設(shè)備成本，而且其篩選優(yōu)質(zhì)單株的成本比直接往地里種的成本還要低。張東峰解釋說：“如果通過這種方式篩選的成本比傳統(tǒng)育種的成本要高，就沒有推廣價值了。恰恰是因為采用新的技術(shù)能夠改善傳統(tǒng)育種，對其提供幫助，才要去推廣它，讓它為育種家、為我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)?！?/p>

高通量分子育種實驗室的檢測流程也較為簡單明了，能節(jié)省育種家和育種單位的時間。張東峰介紹：“我們實驗室的流程通常是需求方送來樣品——種子或葉片，如果是葉片就先提取DNA，如果是種子就先通過發(fā)芽讓種子形成葉片再提取DNA;然后，根據(jù)不同的需求，例如做純度檢測，或是抗病性檢測，或是一致性檢測等，實驗室安排不同的人員利用分子標(biāo)記對DNA進(jìn)行檢測;然后讀取結(jié)果，分析結(jié)果，最后將數(shù)據(jù)返還需求方。”

技術(shù)推廣成為發(fā)展難點

高通量分子育種流程簡單，效率高、精度高，給育種帶來了極大的便利，但是，其在國內(nèi)的普及并不夠。不只是在普通大眾中普及度不高，在育種家和育種單位中，仍然有許多人對這一技術(shù)比較陌生。“國內(nèi)的育種單位都是一些中小企業(yè)，它們沒辦法建立自己獨立的實驗室來開展高通量分子育種;而且，國內(nèi)育種家的整體受教育程度沒有那么高，他們對生物學(xué)以及新技術(shù)沒有那么了解，還是更加信任傳統(tǒng)的育種方法?！逼占岸炔桓撸茝V成本高，是張東峰認(rèn)為的高通量分子育種目前面臨的主要難題。

另一方面的發(fā)展困境在于，并不是所有的基因都已經(jīng)準(zhǔn)確地知道其功能，分子標(biāo)記輔助育種所作用的還是我們已知的這些功能基因，并沒有形成一個非常好的體系。解決這一困境需要對農(nóng)作物基因有更多的了解，在基因測序和基因組圖譜的精細(xì)繪制上進(jìn)一步努力探索。