生物技術在水稻育種中的應用研究

沙偉超

（光明母港（上海）種業(yè)科技有限公司，上海 202177）

水稻作為世界三大糧食作物之一，其種植面積占據世界糧食種植總面積的1/5。生物技術主要有兩大核心，分別是基因工程與細胞工程，這2 項技術均與水稻育種有著極為密切的關聯(lián)，如其中的發(fā)酵工程及酶工程等生物技術在水稻育種中得到了廣泛運用［1］。

1 基因工程

將基因工程與水稻育種緊密結合，旨在通過基因克隆將優(yōu)質基因轉移到水稻上，以此達到改良水稻遺傳特性的目的［2］。

1.1 基因槍法

基因槍法是一種以高速金（鎢）微粒作為載體，再以高壓放電和壓縮氣體的方式產生巨大動力，讓靶細胞能精準接收到附有目標DNA 的高速金（鎢）微粒。隨后在未知機制的作用下，使得植物的染色體將外源的DNA 吸納，以此達到轉移基因的效果。相較于其他基因轉移的方法，基因槍法具有較高的可控度，可向特定的細胞射入金屬微粒，期間不會受到宿主方面的任何限制［3］。缺點是轟擊與整合的位點無法固定，也因此更容易出現(xiàn)基因突變或基因丟失等狀況，繼而對外源基因在生物體內表達的穩(wěn)定性產生影響。

1.2 花粉管通道法

花粉通道法主要指授粉后將外源基因引入植物的技術。在授粉過程中，柱頭中的花粉形成一個通道。授粉后外源基因導入植物技術便是模擬了這一過程，使得外源DNA 借由花粉的管通道進入到胚囊中。而此時的受精卵與生殖細胞因尚處于“原生質體”狀態(tài)，細胞壁還未形成。因此，外源DNA 可輕松進入并與原本的基因進行整合，達到遺傳轉化的目的。授粉后外源基因導入植物技術的具體操作與植物授粉類似，即直接在植物的柱頭處均勻涂抹花粉［4］。

1.3 農桿菌介導法

革蘭氏陰性菌是存在于土壤中的一種細菌，其學名為農桿菌。該菌種的特殊之處在于容易讓雙子葉植物的受傷部位遭受感染，從而出現(xiàn)根癌農桿菌和發(fā)根農桿菌?；诖?，人工基因轉移也效仿了此特性，將根癌農桿菌Ti 質粒和發(fā)根農桿菌Ri 質粒插入到植物的基因組之中，以改良水稻的性狀，使其能更好地生長。

1.3.1 農桿菌介導法優(yōu)點

農桿菌介導法能確保轉化過程的穩(wěn)定性，可以人為控制外源基因在植物器官內的特異性表達，使得由農桿菌介導法轉入的外源DNA 不僅擁有完整的結構，而且在機制的反應方面十分清晰，因此該方法被廣泛運用到了育種過程中的選育材料階段。

1.3.2 農桿菌介導法缺點

由于再生植物細胞和轉化植物細胞本身的接受狀態(tài)可能存在差異，加之受農桿菌的影響，會導致最終檢測結果呈陽性。雖是假陽性，但仍會對單子葉植物的轉化產生影響，現(xiàn)階段的農桿菌介導法仍僅被運用到雙子葉的植物中。

2 細胞工程

2.1 細胞工程育種簡述

在細胞水平上結合植物細胞，然后進行細胞質和染色體移植等一系列操作，改變植物的原始特征，由此衍生出的植物新品種也將具有新的性狀，這便是細胞工程技術［5］。在研究細胞工程技術時，有植物學家曾經做過這樣一項細胞工程試驗，即將2 種植物體細胞進行雜交，在創(chuàng)造出一個新細胞后隨即進行了單細胞培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中，細胞先后經歷了分裂與分化，在產生組織后又進一步發(fā)芽生根，最終長成了新的植物。新長成的植物因是由2 個親代植物雜交而成，故在具有親代各自的特征同時，外形也與親代植物的組合體極為類似。

2.2 細胞工程育種的特點

細胞工程育種不僅可以對原有的植物品種進行改良，還能衍生出新的植物品種，繼而通過篩選擁有良好性狀的植物，可達到提升植物繁育、生長速度，強化種子抗病、抗蟲、抗旱能力的目的。此外，經過細胞工程技術的改良，性狀得以優(yōu)化的植物還能將優(yōu)質基因遺傳給下一代，育種效率進一步提升，育種年限也隨之縮短。

2.3 細胞工程技術在水稻育種中的應用

1970年，我國就水稻育種的細胞工程項目進行了研究，該項目主要在中國科學院進行。起初嘗試將水稻花粉脫離植株并進行單獨培養(yǎng)。在中國科學院的精心培育下，最終培育出2 個新的水稻品種。此后的50年間，我國育種專家不斷在水稻育種中嘗試運用多項細胞工程技術，而經過細胞工程技術改良后的水稻品種如今已被廣泛運用到了實際的種植作業(yè)中。水稻種植的快速發(fā)展在傳統(tǒng)育種、雜交和選擇“恢復性”和“非恢復性”水稻材料方面發(fā)揮了重要作用。

2.4 體細胞無性系變異（體變育種）

在培養(yǎng)體細胞時，由于植株后代可能會有變異的情況發(fā)生。為方便區(qū)分變異性狀的可遺傳情況，科學家根據變異是否會遺傳的特征而將可遺傳的變異統(tǒng)稱為體細胞無性系變異。具有此項特征的新品種不僅得以推廣應用，還能夠在保持原品種優(yōu)良特性的同時改善原品種的部分缺點，比如高稈、遲熟等?；诖隧椦芯?，我國將此研究成果應用于水稻育種中，因此我國也是第1 個對水稻實施體細胞無性系變異的國家。

隨著研究的不斷深入，第1 個體變水稻新品種“黑珍米”于1992年問世；1998年，在將無性系變異與輻射技術結合后，具有中熟高產、能抗稻瘟病的早秈新品種中組1 號宣布培育成功。

2.5 原生質體培養(yǎng)和體細胞雜交

1986年，英國Coking 實驗室公布了其所建立的水稻原生質體培養(yǎng)的完整實驗體系。該體系雖是以前人的研究為基礎，該項研究卻額外證明了全套的遺傳信息仍保留在細胞脫壁后的原生質體之中，也就是說原生質體的全能性并未受到細胞脫壁的影響。因此，從理論上來看，一旦處于合適的條件，原生質體仍有重新生長成株的可能。不僅如此，此項研究還提供了一項更有價值的信息：原生質體并未因細胞脫壁而導致遺傳信息受損，且此時的原生質體以裸露的形式存在，故可將其作為遺傳轉化的工具，直接對其進行遺傳操作，比如直接進行外源DNA、細胞器與質粒的注入等，由此便可解決遠緣原生質體融合后能超越性細胞不親和的障礙。1990年，日本公布第1 個粳稻品種培育成果，經過審定也確定其是第1 個經過原生質體培育而成的粳稻品種，日本將其命名為“初夢”。

2.6 胚挽救

在高等植物的遠程雜交中，為了避免胚乳缺乏或種子胚胎不清楚，通常使用無激素培養(yǎng)法將其直接培養(yǎng)成種子，這種技術被稱為胚挽救。使用胚挽救可以顯著提高遠距離雜交的成功率，比如國際水稻研究所成功地利用胚挽救技術獲得了養(yǎng)殖水稻的褐化抗性。

3 分子標記技術

3.1 分子標記技術的簡介及原理

DNA 分子標記技術是一種依靠追蹤基因組DNA中的核苷酸排序，再對其差異予以示位的標記技術，借此技術便可解釋不同個體潛藏遺傳變異差異。此技術早在20世紀80年代便已出現(xiàn)，主要由兩大重要技術組成，分別是Simple Sequence Repeat（簡單重復序列，簡稱SSR）和Restriction Frag mentLength Poly morphism（限制性片段長度多態(tài)性，簡稱RFMP）。其中，SSR 又包含了PCR 技術與微衛(wèi)星DNA 特性標記技術，其原理便是基于真核生物的基因組上存在的一序列短串聯(lián)重復序列而導致不同個體的重復序列長度不相同。根據此番差異便可在序列兩端設計引物來擴增微衛(wèi)星序列。而由于序列長度的不同，電泳的條帶大小也會存在明顯差異。

比SSR，RFLP 技術出現(xiàn)的時間更早，該分子標記技術是Grodzicke 等在1974年創(chuàng)立，依循的是DNA雜交技術的相關原理，故在早期的運用十分廣泛。這項技術的主要原理是通過切割整個基因來獲得不同長度的DNA 片段，然后在southern 印跡雜交和放射成像下獲得合適的圖譜，從而獲得不同人群中酶消化位點的多態(tài)性。

3.2 分子標記技術的特點

基于分子標記技術具有共顯性，可將其用于雜合子與純合子基因型的鑒定與識別。如果分子標記的最終表達是中性的，意味著其與不期望的特征之間沒有關系。此外，分子標記技術的主要優(yōu)點是操作簡單，檢測過程極快，這也是分子標記技術能夠廣泛應用于臨床醫(yī)學診斷的主要原因。

3.3 分子標記技術在水稻遺傳育種中的應用

由分子標記技術拓展出的基因定位、基因篩選、基因克隆及基因型鑒定等均是水稻遺傳育種過程的必然操作。而在上述技術的支撐下，不僅能提高水稻遺傳育種的準確率，且育種的周期及年限也能得到縮短。

極強的目的性讓該技術被廣泛運用到了水稻的遺傳育種中?，F(xiàn)階段，分子標記技術主要用于提升水稻育種抗病蟲害的能力，這是因為分子標記技術使得水稻育苗在選擇抗病基因方面的精準性得到了顯著提升。此外，我國科學家鄭祥正等發(fā)現(xiàn)了一種標記，名為indel，該標記能夠準確區(qū)分對抗病與非抗病基因的分型，使水稻抗瘟病種質的篩選工作得到極大簡化，也由此提升了水稻育種抗瘟病的特性。

4 基因編輯技術

4.1 基因編輯技術的簡介及特點

基因編輯是一種能夠對生物體特定目標基因予以準確修飾的新技術，通過使用替代、定點突變等方法對原有基因進行修飾，將使物種原本的基因型發(fā)生改變，進而達到改變物種性狀的目的。

4.2 基因編輯技術在水稻育種中的應用

試驗數據表明，基因編輯技術與水稻育種的速率關聯(lián)十分密切，比如在CRISPR/Cas9 技術的培育下，水稻的出苗率將得到顯著提升；國內研究者覃玉芬便是基于CRISPR/Cas9 技術對水稻GXU41 及TM55 品種的2 個靶位點進行了系統(tǒng)編輯，由此培育出了T0 代的純合突變陽性植株，后續(xù)又在此基礎上培育出了T1 代無外源性標記的植株，由此證明了基因編輯技術能讓TGMS 系效率得到顯著提升。隨著人們生活水平的不斷提升，對生活品質的要求也越來越高，就日常飲食而言，人們既要求水稻具有良好的口感，同時要達到香糯的程度。這便需要對水稻直鏈淀粉的含量加以控制，而基因編輯技術恰好能達成此項目標，經由基因編輯技術讓水稻的性狀發(fā)生改變，從而讓水稻中的直鏈淀粉含量達到理想水平，由此滿足人們的食用需求。

5 AI生物育種

5.1 AI生物育種的簡介及特點

人工智能生物育種（育種4.0）是以分子育種為基礎，融合生物信息學、群體遺傳學、大數據、人工智能等多學科交叉的智能育種解決方案，是全基因組選擇性育種基因組學的更新和優(yōu)化，也是中國“十四年CIN 計劃”種業(yè)創(chuàng)新項目的關鍵技術領域。相對于常規(guī)育種依賴于育種家的經驗，AI 生物育種則是通過人工智能主導的計算引擎快速分析實驗數據，從而確定候選基因、開發(fā)分子標記以及預測遺傳改良目標，再結合轉基因、基因編輯系統(tǒng)進行分子育種是水稻育種發(fā)展的最終方向，因為其顯著優(yōu)化了育種效率，擴大了可轉換基因型，縮短了水稻種植周期。

5.2 AI生物育種技術的應用

目前，AI 生物育種技術已經在一些作物上得到應用。美國的BENSON HILL 公司利用機器學習、計算生物學和基因編輯發(fā)現(xiàn)和培育了具有改進特性的農作物，包括作物產量、抗逆性、營養(yǎng)品質及味道和質地等。其僅用3年就選育推廣超高蛋白（UHP）大豆品種，而正常育種時間需要10～15年。國內也有公司通過建立全智能數字水稻種植示范區(qū)，讓精準設計排布在農田上的各類傳感器實時進行高通量表型數據采集和鑒定，從而實現(xiàn)大幅縮短時間、減少人工等目的，通過結合基因定位、基因聚集、標記追蹤等技術，初步篩選出耐旱、耐低氮的品種，為培育抗逆水稻創(chuàng)造了中間材料。

6 結束語

生物技術以及其他各相關學科在水稻育種中的綜合運用雖處于新興階段，但確實是水稻育種發(fā)展的必然趨勢和必經之路。因此，關于生物技術應用仍要不斷深入研究?？紤]到國內缺少目前既懂生物技術又懂育種或者既懂育種又懂其他交叉學科的專家，故為推動生物技術研究不斷向前，需多方密切協(xié)同配合并發(fā)揮各方優(yōu)勢，這樣才能為生物技術的發(fā)展起到良好的推動作用。