農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展現(xiàn)狀與展望

●侯兆武 （濟(jì)南市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 山東 濟(jì)南 250316）

1 農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種概述

1.1 基因設(shè)計(jì)育種原理

在農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，新型基因設(shè)計(jì)工具研制可以使相關(guān)研究人員培育出產(chǎn)量更高﹑質(zhì)量更好的農(nóng)作物?；蛑傅氖蔷哂羞z傳效應(yīng)的DNA片段，對(duì)生物性狀有控制性作用，支持生命的基本構(gòu)造和性能[1]。生物性狀是由基因直接決定的，如玉米高矮﹑產(chǎn)量高低﹑抗倒伏性能等。在基因設(shè)計(jì)育種中，需要引入遺傳變異。在傳統(tǒng)育種過(guò)程中，對(duì)農(nóng)作物一個(gè)品種進(jìn)行改良需要幾年甚至幾十年，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)育種技術(shù)產(chǎn)生的變異具有不可控性﹑隨機(jī)性，如雜交育種需要經(jīng)過(guò)多代篩選，才能夠獲取真正的變異概率，育種周期較長(zhǎng)，難度也較大。當(dāng)前育種技術(shù)不斷發(fā)展，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，科學(xué)家利用基因設(shè)計(jì)開展育種，可以創(chuàng)造遺傳變異，如太空育種，直接利用太空特殊環(huán)境誘變使種子發(fā)生變異?；蛟O(shè)計(jì)能夠?qū)ψ魑锏奶囟ɑ蜻M(jìn)行精準(zhǔn)定位，對(duì)定位基因剪斷后，細(xì)胞可以修復(fù)斷口，產(chǎn)生變異。

1.2 基因設(shè)計(jì)育種的價(jià)值

利用基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)可以對(duì)作物的某一個(gè)基因進(jìn)行改良，并且時(shí)間比較短，在一次基因設(shè)計(jì)中可以對(duì)多達(dá)幾十個(gè)基因同時(shí)進(jìn)行調(diào)控。在基因設(shè)計(jì)育種過(guò)程中需要利用可以精準(zhǔn)定位的基因設(shè)計(jì)工具精確快速地促使作物發(fā)生基因突變，培育出更有營(yíng)養(yǎng)﹑更耐受極端天氣﹑產(chǎn)量更高的作物種子。從這一角度出發(fā)，基因設(shè)計(jì)育種精準(zhǔn)定位工具發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，在之前的基因設(shè)計(jì)育種過(guò)程中，主要是剪斷基因，細(xì)胞修復(fù)斷口會(huì)出現(xiàn)變異，致使基因失活無(wú)法發(fā)揮作用，基因設(shè)計(jì)育種確保不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)的基因失活，從而培養(yǎng)出優(yōu)質(zhì)﹑高產(chǎn)﹑抗病的品種。

2 農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 創(chuàng)建了具有特色的基因發(fā)掘材料

近年來(lái)，我國(guó)保存了近40萬(wàn)份農(nóng)作物種子資源，為基因發(fā)掘奠定了有效的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是從數(shù)量巨大的種子資源庫(kù)中挖掘優(yōu)異基因難度較大，有研究人員提出核心種子的概念，在一定程度上為種質(zhì)資源的深入研究和利用提供了新的方法。在我國(guó)科技項(xiàng)目研究過(guò)程中，主要農(nóng)作物核心種質(zhì)系統(tǒng)研究比國(guó)外同類研究更早，目前已經(jīng)完成了水稻﹑小麥﹑大豆﹑玉米以及其他幾十種農(nóng)作物核心種質(zhì)和微核心種質(zhì)構(gòu)建，降低了種質(zhì)資源的數(shù)量。微核心種質(zhì)對(duì)總體的代表性保持在75%以上，可以推動(dòng)種質(zhì)資源精細(xì)表型鑒定以及基因型鑒定，這在基因設(shè)計(jì)育種過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在種質(zhì)資源鑒定方面可以利用優(yōu)異性狀材料構(gòu)建大批遺傳分離群體，并完成遺傳圖譜構(gòu)建以及基因定位。這些群體以重組自交系群體﹑近等基因系群體以及回交群體等為主[2]。

2.2 推動(dòng)了基因挖掘方法創(chuàng)新

在現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展過(guò)程中，基因組學(xué)和生物信息學(xué)的發(fā)展速度不斷加快，在一定程度上推動(dòng)了基因挖掘新理論和新方法的發(fā)展。目前，基因挖掘策略和方法的相關(guān)研究越來(lái)越成熟。作物基因挖掘的方法主要包括表型到基因正向遺傳學(xué)和從基因到表型的反向遺傳學(xué)。

2.2.1 正向遺傳學(xué)方法正向遺傳學(xué)可以根據(jù)目標(biāo)基因在染色體的具體位置完成基因克隆。在我國(guó)的水稻克隆中可以對(duì)多種重要性狀基因如MOCI﹑Ghd7﹑RIDI等進(jìn)行有效控制。除此之外，以連鎖不平衡為核心可以將標(biāo)記或者候選基因遺傳變異與目標(biāo)性狀表型進(jìn)行聯(lián)系完成分析。在分析時(shí)主要從全基因組掃描的關(guān)聯(lián)角度出發(fā)，研究候選基因的關(guān)聯(lián)情況，對(duì)水稻開展全基因組掃描分析，主要是對(duì)基于全基因組掃描的關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行應(yīng)用。對(duì)小麥的光周期反應(yīng)基因Ppd-D101關(guān)聯(lián)進(jìn)行分析時(shí)，主要是基于候選基因開展的分析工作。

2.2.2 反向遺傳學(xué)方法通過(guò)反向遺傳學(xué)開展研究時(shí)，基因影響的表型具有一定的模糊性，需要利用遺傳轉(zhuǎn)化研究基因功能和引發(fā)的可能表型變異進(jìn)行研究。除此之外，也可以插入或者刪除﹑轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽或者進(jìn)行RNA干涉等。通過(guò)表型變異對(duì)基因進(jìn)行挖掘，在反向遺傳學(xué)方法應(yīng)用過(guò)程中，同源基因克隆是典型代表。我國(guó)水稻基因在挖掘過(guò)程中是以圖位克隆為主的，而其他農(nóng)作物在研究中以同源基因克隆為主。以比較基因組學(xué)的相關(guān)方法為核心進(jìn)行研究，可以在無(wú)基因組序列作物基因克隆過(guò)程中發(fā)揮突出作用。以不同方法進(jìn)行整合研究基因功能是當(dāng)前基因設(shè)計(jì)育種過(guò)程中的重要方法，也是新型方法。將基因關(guān)聯(lián)分析與表達(dá)分析與轉(zhuǎn)基因進(jìn)行結(jié)合﹑同源克隆基因與重組自交系群體定位進(jìn)行結(jié)合等可以促進(jìn)整合連鎖圖譜﹑表達(dá)譜以及功能互補(bǔ)分析，從而確定克隆微效抗性基因。

2.3 初步構(gòu)建了基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系

現(xiàn)階段，我國(guó)主要農(nóng)作物產(chǎn)出的專利達(dá)到上萬(wàn)件，占全球40%以上，并且逐步構(gòu)建了系統(tǒng)完善的農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系。在轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)在多物種遺傳﹑轉(zhuǎn)化等方面的自主研發(fā)能力得到了明顯提升，并且檢測(cè)監(jiān)測(cè)管理體系以及生物安全評(píng)價(jià)等相關(guān)體系越來(lái)越完善，可以從原有的跟蹤模仿到自主創(chuàng)新，創(chuàng)制出具有較強(qiáng)應(yīng)用前景的耐除草劑﹑耐旱﹑節(jié)水﹑營(yíng)養(yǎng)豐富的功能性轉(zhuǎn)基因玉米﹑水稻﹑大豆等，均已超過(guò)國(guó)外同類產(chǎn)品。在農(nóng)作物設(shè)計(jì)育種過(guò)程中，基因設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，對(duì)水稻﹑小麥﹑玉米等作物都構(gòu)建了基因消除﹑基因替換或者插入﹑單堿基定向突變等基因組定點(diǎn)編輯技術(shù)體系，可以對(duì)農(nóng)作物的抗病性能﹑品質(zhì)以及耐除草劑性能等進(jìn)行深入研究。

全基因組選擇技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中推動(dòng)了聚合多元優(yōu)良基因的研究和發(fā)展。目前，已經(jīng)構(gòu)建了水稻﹑小麥﹑玉米等作物全基因組選擇技術(shù)體系。在農(nóng)業(yè)合成生物過(guò)程中挖掘與合成了具有較強(qiáng)抗鹽堿性﹑耐干旱性﹑氮高效利用等元件。利用全基因組層面構(gòu)建人工智能預(yù)測(cè)模型，完成了智能組合優(yōu)良等位基因的人工變異﹑自然變異等育種設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物新品種高效﹑智能﹑定向培育，極大提高了育種效率[3]。

3 農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展展望

隨著農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國(guó)基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系的形成，在未來(lái)的農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展過(guò)程中，可以從以下角度出發(fā)進(jìn)行分析開展。

3.1 深入研究，提升原創(chuàng)能力

在農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種發(fā)展過(guò)程中，必須對(duì)國(guó)際作物種業(yè)科技基礎(chǔ)理論的最新成果進(jìn)行深入分析，重視源頭創(chuàng)新，對(duì)重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行深入探索，提高基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)的先進(jìn)性以及原創(chuàng)能力。在作物優(yōu)異基因資源多樣化以及演化過(guò)程中需要對(duì)物種多樣性的產(chǎn)生和演化機(jī)制進(jìn)行深入探索，對(duì)物種資源形成時(shí)的基因組學(xué)基礎(chǔ)等進(jìn)行全面解析，促進(jìn)資源挖掘和理論創(chuàng)新。除此之外，在農(nóng)作物育種性狀形成過(guò)程中，還要對(duì)生物分子技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，通過(guò)產(chǎn)量﹑品質(zhì)﹑抗性﹑營(yíng)養(yǎng)﹑高效等不同性狀遺傳以及表觀遺傳變異規(guī)律的深入分析，完成分級(jí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，從而為農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種的多性狀設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[4]。

3.2 加大核心技術(shù)研究和創(chuàng)新

在農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種的未來(lái)發(fā)展過(guò)程中必須突破作物基因設(shè)計(jì)育種的核心技術(shù)，對(duì)新一輪種業(yè)科技革命帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)全面分析，利用前沿技術(shù)促進(jìn)作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)的突破。以基因組學(xué)為基礎(chǔ)完成分子標(biāo)記﹑轉(zhuǎn)基因和分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)的深入探索，促進(jìn)全基因組選擇﹑基因編輯﹑合成生物等核心技術(shù)的發(fā)展。與此同時(shí)，還要將大數(shù)據(jù)技術(shù)﹑人工智能技術(shù)等與基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)有效融合，形成作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系，搶占技術(shù)創(chuàng)新高點(diǎn)。對(duì)新一代作物高效挖掘技術(shù)進(jìn)行深入探索，推動(dòng)優(yōu)異基因快速挖掘，對(duì)重要物種的全基因組選擇技術(shù)進(jìn)行全面開發(fā)和優(yōu)化，提升基因聚合效率。對(duì)原有作物的優(yōu)良品種的高效遺傳轉(zhuǎn)化瓶頸進(jìn)行探索，突破困境。研發(fā)不僅需要以收緊機(jī)型限制為主的高效遺傳轉(zhuǎn)化性技術(shù)，并且要對(duì)單堿基定點(diǎn)突變﹑大片段定點(diǎn)插入以及同源重組等基因定向編輯技術(shù)等進(jìn)行創(chuàng)新。利用人工智能和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)形成基因設(shè)計(jì)育種信息庫(kù)，促進(jìn)工程學(xué)模塊化和系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論完善發(fā)展，構(gòu)建基于模塊組裝和通路設(shè)計(jì)的合成生物技術(shù)系統(tǒng)，為農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種提供可靠支撐。

4 總結(jié)

在當(dāng)前的農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新過(guò)程中，需要對(duì)我國(guó)農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種成果進(jìn)行全面分析，了解農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種過(guò)程中的難點(diǎn)，對(duì)農(nóng)作物基因育種性狀﹑遺傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充分闡釋。同時(shí)要加強(qiáng)基因設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和青年科學(xué)家培養(yǎng)。將合成基因設(shè)計(jì)﹑基因編輯﹑全基因組選擇等技術(shù)應(yīng)用于基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系，促進(jìn)人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)等新興學(xué)科與基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系的有效融合，形成國(guó)家農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種技術(shù)創(chuàng)新中心，提升我國(guó)農(nóng)作物基因設(shè)計(jì)育種的綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。