淺析生物技術(shù)在作物育種中的應(yīng)用

王玉杰 冷春旭 孫中義 王 珣 趙 曦 李曉娟 趙 偉

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所/黑龍江省作物與家畜分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黑龍江哈爾濱 150028）

在過去的40 年里，盡管全球糧食生產(chǎn)與人口增長保持同步，但仍有近10 億人（其中大多數(shù)生活在發(fā)展中國家）營養(yǎng)不良。 據(jù)預(yù)測，到2050 年全球糧食產(chǎn)量必須增長70%才能滿足全球人口增長、 收入和消費(fèi)增加帶來的需求。 與此同時(shí)耕地面積逐年減少、氣候?yàn)?zāi)害不斷發(fā)生使得培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗性強(qiáng)的作物新品種成為當(dāng)務(wù)之急[1]。 而傳統(tǒng)的育種方法具有周期長、選育效率低、成本高等缺點(diǎn)，以基因組學(xué)、生物信息學(xué)和合成生物學(xué)等前沿學(xué)科為基礎(chǔ)的生物技術(shù)育種則開辟了育種新途徑，具有周期短、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可在短時(shí)間獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)抗逆新品種，對推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的健康發(fā)展具有十分重要的作用。

1 生物技術(shù)育種發(fā)展歷程

生物技術(shù)育種是利用遺傳學(xué)、 細(xì)胞生物學(xué)和合成生物學(xué)等方法培育生物新品種， 是一種通過人工改良目的性狀獲得新品種的技術(shù)。 目前已從轉(zhuǎn)基因育種階段跨入智能設(shè)計(jì)育種階段， 是集各種前沿技術(shù)于大成的分子育種技術(shù)[2]，經(jīng)歷了組織培養(yǎng)育種、轉(zhuǎn)基因育種、分子設(shè)計(jì)育種3 個(gè)發(fā)展階段。

1.1 組織培養(yǎng)育種

組織培養(yǎng)技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的生物技術(shù)之一，其促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展的第四次綠色革命，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。 技術(shù)原理是利用植物細(xì)胞的全能性在無菌條件下將離體組織器官培育出一系列的可育后代。 自1902 年德國科學(xué)家G.Haberlandt[3]首次發(fā)表有關(guān)植物葉肉細(xì)胞培養(yǎng)研究以來，植物組織培養(yǎng)技術(shù)已有110 多年的發(fā)展歷史， 在植物遺傳育種領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛， 主要包括單倍體育種、體細(xì)胞雜交育種和誘變育種等。

1.2 轉(zhuǎn)基因育種

轉(zhuǎn)基因育種是以重組DNA 技術(shù)為核心，將優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗逆及抗病蟲等功能基因?qū)胧荏w植株中，獲得品質(zhì)更好、營養(yǎng)價(jià)值更高、抗逆境及抗病蟲害能力更強(qiáng)的新品種。 自1983 年首例轉(zhuǎn)基因煙草問世以來，轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)業(yè)化迅猛發(fā)展， 截止到2019 年，全球共29 個(gè)國家種植了轉(zhuǎn)基因作物， 涉及抗除草劑、抗病、抗蟲、抗逆、品質(zhì)改良等性狀，我國也相繼建立了水稻、小麥、棉花、玉米等主要轉(zhuǎn)基因作物的技術(shù)體系[4]。

1.3 分子設(shè)計(jì)育種

分子設(shè)計(jì)育種是在轉(zhuǎn)基因育種基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的生物育種方式，利用各種組學(xué)及測序技術(shù)，根據(jù)人們的特定需要， 對育種程序的各個(gè)因素進(jìn)行模擬、 篩選和優(yōu)化， 確立目標(biāo)基因型， 提出最佳的親本選配和后代選擇策略，提高育種中的預(yù)見性。21 世紀(jì)初， 以李家洋為代表的一批科學(xué)家提出了分子設(shè)計(jì)育種理念， 高效快速地將優(yōu)良性狀基因聚合在一起，縮短了育種周期，提高了育種效率，從而培育出更加優(yōu)良的作物新品種[5]。

2 生物技術(shù)育種的應(yīng)用

目前生物育種技術(shù)已成為國際農(nóng)業(yè)競爭的焦點(diǎn)和發(fā)達(dá)國家新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[6]。 而我國的生物技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距， 仍然以傳統(tǒng)育種方式為主。 近年來， 隨著生物技術(shù)不斷的發(fā)展和完善，生物技術(shù)育種在我國的發(fā)展也很快，在主要農(nóng)作物如玉米、水稻、大豆、棉花上都得到廣泛應(yīng)用。

2.1 組織培養(yǎng)技術(shù)在作物育種中的應(yīng)用

2.1.1 單倍體育種 植物離體的花藥或小孢子經(jīng)組織培養(yǎng)最終獲得單倍體植株， 經(jīng)染色體加倍后獲得純合二倍體材料， 可快速育成能穩(wěn)定遺傳的優(yōu)良性狀個(gè)體。 自1964 年Guha 和Maheshwari 等成功培育曼陀羅花粉獲得單倍體植株以來， 花藥培養(yǎng)已成為一種常用育種手段應(yīng)用于水稻、玉米、小麥等糧食作用及枸杞、人參、平貝母等藥用植物[7]。 有些雄性不育的植物或花藥培養(yǎng)誘導(dǎo)率過低的植物， 可用未受精的子房或胚珠進(jìn)行離體培養(yǎng)獲得單倍體植株， 是單倍體育種的另一種形式。 1976 年，Sanoeum 等以大麥未授粉子房為試驗(yàn)材料培養(yǎng)出單倍體植株， 隨后在禾本科、葫蘆科、茄科、百合科和菊科等植物中取得廣泛成功[8]。

2.1.2 體細(xì)胞雜交育種 植物體細(xì)胞雜交僅通過體細(xì)胞的融合來制造雜交后代， 打破了物種間的生殖隔離， 適用于那些有性生殖能力低或無性繁殖的植物，擴(kuò)大了物種雜交的范圍，提高了育種效率，為創(chuàng)制種質(zhì)資源和改良作物品種開辟了一條有效途徑。我國科學(xué)家也開展了大量的工作， 將人參與胡蘿卜進(jìn)行體細(xì)胞雜交，提高了人參的次生代謝物含量；將甜菜的野生種和栽培種后代雜交胚離體培養(yǎng)誘導(dǎo)獲得再生植株；香蕉通過原生質(zhì)體融合相繼有10 個(gè)以上品種獲得再生植株[9]。

2.1.3 誘變育種 組織培養(yǎng)是植物誘導(dǎo)和篩選突變體的一種方法， 利用組織培養(yǎng)的細(xì)胞易受環(huán)境條件和誘變因素如化學(xué)物質(zhì)、 脅迫處理、 射線等影響而發(fā)生變異， 進(jìn)而從中篩選出有用突變體， 最終育成新品種。 目前已篩選成功的突變體有抗病毒的馬鈴薯、 抗除草劑的番茄、 抗寒的辣椒和亞麻、 耐鹽堿的番茄和棉花、 抗線蟲的茄子及抗菜蛾的油菜等多種變異類型[7]。

2.2 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在作物育種中的應(yīng)用

2.2.1 抗性育種 轉(zhuǎn)基因技術(shù)將抗性基因?qū)胧荏w植株中，提高其抵御病蟲草害的能力，更好地適應(yīng)周圍生活環(huán)境， 即使在極端惡劣的條件下也能正常生活。 早在1993 年，我國成功將Cry1A/Bt雙價(jià)抗蟲基因?qū)朊藁ㄖ校?成為繼美國之后世界上第2 個(gè)擁有Bt 抗蟲棉知識產(chǎn)權(quán)的國家。1997 年開始，抗蟲棉的商業(yè)化生產(chǎn)被批準(zhǔn)，成功遏制了棉鈴蟲的暴發(fā)。2008 年國產(chǎn)抗蟲棉種植面積達(dá)到200 萬hm2， 占全國面積的70%， 標(biāo)志我國轉(zhuǎn)基因作物育種進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。 2006 年， 我國培育的4 個(gè)轉(zhuǎn)基因抗環(huán)斑病毒番木瓜新品系在廣東省示范種植， 2010 年原農(nóng)業(yè)部發(fā)放了轉(zhuǎn)基因抗環(huán)斑病毒番木瓜華農(nóng)1 號在華南地區(qū)的安全證書， 標(biāo)志轉(zhuǎn)基因番木瓜全面進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。 我國的轉(zhuǎn)基因水稻研究一直處于世界先進(jìn)水平， 先后開發(fā)了轉(zhuǎn)CpTI抗蟲水稻、 抗褐飛虱水稻， 轉(zhuǎn)Xa21抗白葉枯病水稻， 2018 年1 月11 日轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻華恢1 號獲得了美國FDA 商業(yè)化生產(chǎn)許可。

2.2.2 品質(zhì)育種 品質(zhì)育種主要針對的是谷類作物， 谷類作物中人體必需的氨基酸如色氨酸和賴氨酸等含量較少， 因此可以通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高谷物中蛋白質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量，滿足人們的需要。2009 年我國自主研發(fā)的轉(zhuǎn)植酸酶玉米獲得了安全證書， 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院成功培育了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高蛋白轉(zhuǎn)基因大豆黑生101。

2.3 分子設(shè)計(jì)在作物育種的應(yīng)用

2.3.1 分子標(biāo)記輔助育種 分子標(biāo)記輔助育種是利用與目的基因緊密連鎖的分子標(biāo)記對育種群體進(jìn)行目標(biāo)基因篩選， 將多個(gè)優(yōu)良性狀聚合在一起， 與傳統(tǒng)育種選擇技術(shù)相比效率更高， 也更省時(shí)省力， 大大縮短了育種進(jìn)程。 常用的分子標(biāo)記主要有插入缺失標(biāo)記、 序列標(biāo)簽位點(diǎn)標(biāo)記、 酶切擴(kuò)增多態(tài)性序列標(biāo)記、 單核苷酸多態(tài)性標(biāo)記和簡單重復(fù)序列標(biāo)記。Wang 等[10]根據(jù)抗蟲基因Cry1Ac特異序列作為標(biāo)記，成功將抗蟲基因?qū)? 個(gè)棉花主栽品種中，Steller等[11]利用11 個(gè)SNP 標(biāo)記對不同基因型古莧雜交F1代進(jìn)行真?zhèn)坞s種鑒定，陳志偉等[12]利用抗稻瘟病Pi1基因和分子標(biāo)記RM224 和MRG4766， 以金山B-1、金山S-1 及珍汕97B 作為親本進(jìn)行輔助育種。

2.3.2 基因編輯育種 以CRISPR/Cas9 為代表的基因編輯技術(shù)因其定向精確、 操作簡單高效等優(yōu)點(diǎn)而成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最有效的育種工具。 目前基因編輯技術(shù)已廣泛應(yīng)用在水稻、玉米、大豆等主要農(nóng)作物育種中，尤其在水稻研究方面處于世界領(lǐng)先地位。 我國科學(xué)家已通過基因編輯系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水稻品質(zhì)、產(chǎn)量、抗性、育性等全方位的改良。 2021 年李家洋等[13]對異源四倍體野生稻建立了高效遺傳轉(zhuǎn)化和基因編輯體系，成功創(chuàng)制了株高降低、落粒性降低、粒長變長、莖稈變粗及抽穗時(shí)間縮短的各種基因編輯材料， 為培育四倍體水稻新品種提供了可行的策略。 2020 年，Karunarathna 等[14]利用基因編輯突變SFAR基因提高油菜種子油分含量。 2019 年，Wang 等[15]對玉米控制葉夾角ZmLG1基因和控制雄穗分枝的UB2基因進(jìn)行編輯成功獲得2 個(gè)位點(diǎn)突變的單倍體。

2.3.3 全基因組選擇育種 全基因組選擇育種是通過高通量基因型分析和生物學(xué)模型預(yù)測， 在全基因組水平聚合多個(gè)優(yōu)良基因于一體的育種方式[2]。 該方法具有兩大優(yōu)勢， 其一基因組定位的雙親可直接用于育種，其二改良多基因控制的數(shù)量性狀效果更佳。隨著全基因組測序、 基因芯片技術(shù)的發(fā)展及測序成本的降低，大幅提高育種效率，目前全基因組選擇育種技術(shù)已成為國際作物育種領(lǐng)域的新熱點(diǎn)和跨國公司爭相關(guān)注的焦點(diǎn)，先后開展了針對玉米、小麥、水稻、大豆等作物的全基因組選擇研究，對玉米的抗旱性、小麥的抗銹病性和水稻、大豆產(chǎn)量進(jìn)行了預(yù)測與驗(yàn)證，對育種早期世代進(jìn)行了準(zhǔn)確性的選擇和評估，形成了針對特定育種資源的育種方案。

3 前景展望

2021 年《中共中央國務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》指出“對育種基礎(chǔ)性研究以及重點(diǎn)項(xiàng)目給予長期穩(wěn)定支持。 加快實(shí)施農(nóng)業(yè)生物育種重大科技項(xiàng)目， 有序推進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”。 我國高度重視生物育種技術(shù)的研發(fā)、推廣和應(yīng)用，將其作為保障糧食安全，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和增強(qiáng)國際競爭力的重要途徑。 因此，一定要抓住機(jī)遇，加強(qiáng)生物育種的創(chuàng)新，大力促進(jìn)生物育種產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量和品質(zhì)，打好種業(yè)翻身仗，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。