您现在的位置: 首页 > 学术沙龙 > 作物育种科学技术的进展

作物育种科学技术的进展

植物育种的历史可以追溯到农作物物种的驯化,作物驯化和选择育种的历史超过了10000年。人类从众多的个体中,把可能由于突变或者重组而表现非凡的个体识别并选留下来,然后有意识或者无意识地繁殖他们最喜爱的类型。最后成为农家地方品种。但驯化之后,作物的改良非常缓慢,其原因可能是因为不知道如何创造人类需要的变异。17世纪和18世纪处于启蒙运动的欧洲,人口增长和城市化刺激提高作物产量的渴望,人们开始有意识地选择有用植物,但是植物改良超前于遗传学发展,此时兴起的植物学,授粉、杂交以及杂种优势现象的阐述对系统育种作出了贡献。但是直到达尔文和孟德尔学说的问世,才引发了过去100多年作物遗传育种的大发展。

1.传统的作物育种科学技术 

20世纪之前的育种,基本上是对表现型进行直接选择,因此,常常又被称为“经验育种”。早期的选择育种主要是对自然变异进行选择,在20世纪上半叶及以前一直发挥着主导作用,是历史最悠久的育种方法。在中国,先是从水稻南特品种中选出了南特16号等品种,进而又选出了矮脚南特,从矮脚南特中又选出了近20个品种;从引进的小麦品种阿夫中选出了扬麦1号、白泉673等十几个品种;从引进的陆地棉品种岱字15中选出了近40多个品种。

19世纪末到20世纪初,英国一些种子公司就从全球收集植物,进行复合杂交,并从中选择“突破类型”,孟德尔时代之前的这种杂交育种,已经取得很大成功,甚至这些成功本身阻碍了孟德尔规律的采用。随着孟德尔遗传规律的广泛传播,育种家可以根据孟德尔规律有目的地选配不同亲本进行杂交、自交、回交,再通过后代选择,获得符合人类需求的重组类型或超亲分离类型。在中国,通过杂交育种途径育成的品种占所有育成品种的比例从20世纪50年代的14.8%、60—70年代35.5%和80年代79%,上升到目前约100%。

回交育种则是被发明用于对特定的单个目标性状进行遗传转移的技术。中国用鸡脚棉与推广品种德字棉531杂交,经多次回交后,于1944年育成抗卷叶螟的鸡脚德字棉。美国用抗根腐病的大豆材料与高产品种回交后,得到抗病品种哈罗索63等,在严重发病条件下,产量为原品种的3倍。加拿大利用回交法,得到了低芥酸和低硫代葡萄糖苷油菜品种托尔。玉米抗大斑病Ht和抗小斑病rhm的转育,也应用了回交育种方法。另外,采取修饰回交技术有利于打破性状的不良连锁,并实现对多个性状的同步改良。

玉米杂种优势现象的发现和双杂交种的商业化应用,是20世纪初育种工作的突破性成就。直到20世纪60年代,得益于培育优良自交系的努力,玉米单交种逐步取代双交种,产量得到进一步提高的同时,还节约了大量的用于杂交的时间和工本。1933年首次发现的玉米细胞质雄性不育系,则为玉米杂种优势的利用开辟了新的思路和途径。玉米杂种优势的商业化利用,推动了其他作物杂种优势利用的研究,先后在高粱、水稻、油菜、棉花等大田作物上成功应用并大面积推广。其中,中国科学家在杂交水稻研究和应用方面作出了突出贡献。

高选择压力、轮回使用优质受体种质以及采取回交等减少遗传重组的育种策略使品种得到改良的同时也降低了品种遗传基础的多样性。例如,美国大多数硬红冬小麦品种主要来源于2个东欧品系;栽培水稻的基因库遗传变异较野生近缘种狭窄;即使在具有高度多样性的玉米中,也有平均大约30%位点的多样性比玉米野生近缘种低。此外,往往存在现有种质资源缺乏目标性状的基因,或者同一作物品种之间存在不可弥补的缺点。远缘杂交可以在一定范围内有效打破物种之间的界限,促进不同物种基因的渐渗和交流,引入异种甚至异属物种的有利基因或等位变异,培育作物新品种。通过远缘杂交创造的包含不同物种染色体组的作物新类型,异附加系、置换系、易位系等各种异染色体系,单倍体或者细胞质雄性不育系等各种新种质,大大丰富了作物遗传改良的基因资源。小麦中,有近30种不同病害抗性基因从野生近缘种渐渗到栽培种中,例如利用黑麦1R染色体短臂与小麦染色体易位系培育的品种占17个国家505个面包小麦品种的45%。从二倍体栽培一粒小麦渗入到小麦中的Pin的功能等位基因使小麦表现为软质籽粒。大麦的改良也得益于野生大麦和中东地方品种大麦的基因。还有从球茎大麦转移到大麦的白粉病抗性基因和大麦云纹病抗性基因。中国科学院李振声等将普通小麦与长穗偃麦草杂交,育成了多种小偃麦杂种新类型(异源八倍体、异附加系、异代换系和易位系)和小偃4号、小偃5号、小偃6号等一系列优良小麦新品种,其中以小偃6号表现最为突出,1985年推广面积超过6.7×105公顷,开创了小麦远缘杂交育种在生产上大面积推广的先例。中国农业科学院鲍文奎等人工合成了八倍体小黑麦。

诱变育种通过人工采用物理、化学或者太空等因素的诱发,不仅可以创造全新的变异,还能促进远缘杂交过程中染色体的变异。另外通过轮回选择等群体遗传改良手段,可以提高群体优良基因和基因型频率,增加优良基因的重组,使有利等位基因聚集到同一个体之中,从而创造新的种质资源,或者改良外来种质的适应性等。

传统育种取得了巨大的成功,作物产量的提高主要归功于特异种质发掘、创新和有效利用。据统计,大多数国家谷物和豆类作物的年遗传增益达到了10—50公斤每公顷。利用矮秆基因(来自低脚乌尖水稻的Sd1,来自Norin10小麦的Rht1和Rht2)培育的高产、耐肥、抗倒伏水稻和小麦品种以及可以抵御高密度种植的杂交玉米新品种在发展中国家的推广使用,短短几年时间里实现了粮食产量的大幅度增产,被誉为“绿色革命”,使许多国家基本摆脱了饥饿。近年来,控制分蘖、分枝以及种子数量的单基因性状也得以应用。

传统育种对单个基因的选择和应用非常有效,但是对于遗传率低、基因型-环境互作显著的复杂性状,例如产量和品质性状、生物胁迫和非生物胁迫抗耐性等的改良进展有限。而这些性状恰恰是提高作物产量潜力和产量稳定性的关键性状。进一步增产有赖于将传统育种与远缘杂交、基因组学、转基因技术相结合,提高作物产量潜力和生物与非生物抗耐性,适应各种农业生态位。

2.现时分子生物育种的研究热点

虽然在过去的一个世纪里传统育种使用丰富的种质资源取得了巨大的成功,但是遗传增益日渐萎缩是当前育种面临的一大挑战。栽培品种、地方品种、野生近缘种等种质资源中还有没有可资利用的优良基因或者等位基因?通过外源基因渗入和优良等位基因的累积还能不能有效提高育种的遗传增益?如果有,如何才能有效鉴定和利用这些基因资源?这些问题的答案直接关系作物育种的目标和策略的制定。过去30年里,人们在分子标记技术、DNA测序技术、数据计算技术、生物技术、遥感技术、信息技术等领域取得了突破性进展。全球转基因作物(GM作物)种植面积已经超过了耕地面积的10%。分子标记辅助选择(markerassistedselection,MAS)为许多育种程序增添了潜力。随着新一代测序技术的发展和广泛应用,已经有超过50种作物的参考基因组公布。这些基因组信息正在改变种质资源的研究以及遗传多样性的应用,反过来,将改变传统育种策略。基因组途径,例如基因组重测序、等位基因发掘以及基因组选择将整合传统技术用于基因型鉴定、种质资源筛选以及品种选育。

2.1分子标记辅助育种

20世纪80年代兴起的DNA标记技术,经历了标记开发、遗传图谱、功能和比较基因组连锁分析及基因组测序等不同发展时期。应用分子标记可以对种质资源、杂交亲本和后代个体进行大规模的基因型鉴定,可以构建遗传图谱并与表型数据建立联系。基因组学的革命,可以大大提高育种效率和规模。分子标记可以用来(1)区分品种,构建杂种优势群体;(2)鉴定种质资源冗余度、未充分发掘的等位基因以及现有种质资源的遗传构成;(3)监测种质资源储存、繁育、驯化以及育种过程中的遗传飘变;(4)筛选新基因或超等位基因种质资源;(5)构建作物核心种质库或代表性子集等。

虽然所有的分子标记都可以用于标记辅助选择(MAS),但是SSR、SNP因其简易、量大、共显性、自动化等优点而被广泛应用。大规模二代测序技术(nextgenerationsequencing,NGS)使测序成本降低了1000倍以上,可以应用于作物遗传分析和改良。基因组测序大大提高了人们对于植物基因组组成、表达、进化和功能的研究能力,提高了全基因组范围多态性发现的效率。

探索作物种质资源基因组多样化的驱动力及其多样性的遗传基础是作物遗传育种的一个挑战性命题。密集的分子标记遗传图谱和基因组序列可以更精细地评价作物基因库的多样性。越来越多的证据指出,一些作物,例如玉米的遗传多样性的很大一部分来自于整个表达基因的存在/缺失变异(presence/absencevariations,PAV)和数目变异(copynumbervariant,CNV)。当PAV为主要遗传多样性时,参考基因组序列不能完整描述某个物种的遗传组分。由此提出了“全基因组”概念。全基因组由包含所有种质共同的基因组特征的核心基因组,以及只有部分或没有共有序列的非必需基因组两部分组成。因此,要全面描述一个物种的基因组组成,需要测定不同种质系的基因组序列。揭示非必需基因组的成分和功能可能是了解表型多样性发生机制的关键步骤。显然,这种功能基因含量的变异预示自交系功能基因的丢失可以在杂交种中得到互补,从而导致杂种优势效应。分子证据表明几个世纪的选择育种过程中,作物丢失了大量有用或者无用的等位基因。要充分利用种质资源中的有利等位基因资源,需要提高对关键性状分子基础的认识,拓宽种质资源库的表型和基因型,提高外源染色体片段的渗入效率和比例。

分子标记的应用可以提高种质资源的鉴定与创新和育种的效率。MAS广泛应用于渗入性状和简单遗传基础的性状选择,尤其是抗病性选择。通过回交和分子标记辅助选择,将野生种有益等位基因渗入到优良栽培种时,连锁累赘可能降低了最终效果。对于复杂的农艺性状,由于存在受环境影响表达的QTL之间的互作,使问题复杂化。这些缺点可以通过大规模开发基因组资源,从生理水平解析QTL×环境、QTL×QTL互作得到部分解决。

2.2QTL与基因组选择

作物育种的主攻性状几乎都是复杂的数量性状。最新的基因组学,特别是NGS技术的发展使人们可用更低的成本获取更多的植物种质资源遗传组成信息。表型鉴定技术的显著进步使人们能够以前所未有的准确度、速度和低成本测定控制条件下或田间多个个体农艺相关表型,其结果是QTL的数目急剧增加而单个QTL的贡献却很小。因而有人认为目前“QTL在纸上而不是在品种里”。通过QTL元分析(Meta分析),可以将来自不同群体、不同环境同一性状的QTL以及采用连锁分析或者全基因组关联分析(genome-wideassociationstudy,GWAS)得到的QTL进行合成,从而更好地估计QTL效应。另外,元分析还试图分析QTL的上位性、多效性以及与环境的互作效应。但由于个体数量性状表现型可能是非线性效应,正确预测等位基因以及QTL单倍型新的重组可能有难度,需要进一步探索。

对于器官、组织、生理、代谢等不同水平的性状和不同发育时期的动态性状,如叶面积指数、植物生物量、代谢物含量等,通过分析所谓隐藏的遗传变异及其QTL,可以鉴定复杂性状组分的QTL。与不同组学研究相结合,获得表达QTL(eQTL)、蛋白质QTL(pQTL)以及代谢QTL(mQTL),可以用来发现性状形成的分子机制。所有这些都可能为育种提供新的机会。虽然育种资源中含有少量强效应QTL,但是一些主效QTL已经被定位、确证、克隆甚至在分子标记辅助育种(markerassistedbreeding,MAB)中应用。育种框架中的QTL信息可用于回交育种和设计育种,或者单倍型育种。这些途径谋求通过标记辅助选择已知的关键位点上的有益等位基因培养新品种。QTL一旦被克隆,就可以用来培育转基因作物。

QTL效应一般呈L形分布,即大效应QTL数目逐渐减少,而小效应QTL数目逐渐增多。目前,大多数研究的检测能力不能鉴定大量数目的小效应QTL,也就是说大量的小效应QTL被埋没在“冰山”之下。大效应QTL容易在育种选择过程中丢失,而小效应QTL在育种选择过程中,不太容易被淘汰。因此,除了从种质资源中“重新获取”那些消失的大效应QTL用于MAS,还要考虑如何有效捕获和利用大量的小效应QTL。最近提出的基因组选择(genomeselection,GS)是MAS的延伸。这种方法不考虑单个QTL,而是通过对分布于整个基因组的大量数目分子标记基因型估算个体的育种值,实际上,其模型针对的是无法检测的小效应QTL。该法根据多标记基因型计算个体育种值(genomicestimatedbreedingvalue,GEBV)作为选择值。和MAS一样,GS包括2个步骤:练习期和育种期。在练习期对亚群体进行表现型和基因型的关联分析,在育种期鉴定育种群体的基因型,按由基因型估算的GEBV进行选择。GS可望能够解决MAS不能揭示的微效基因选择问题。但是也有观点认为,GS可能并不适用于植物复杂性状的改良。GS是一个植物育种潜在有用的方法,但是GS不是表型选择的完美替代。它应该与传统育种整合,使传统育种更加快速高效。

基因组学数据还为设计和培育携带预先设定的性状的新品种(分子设计育种)提供了可能性。全球基因组学正集中努力揭示农艺性状的遗传基础,分析相应位点等位基因变异,最终使育种者能够先模拟设计理想的类型,再在植物中构建新的基因型。虽然这个途径目前还未收到育种家的普遍重视,但已有一些报道。例如具有抗多种病虫害、高营养效率和抗旱的“绿色超级水稻”新品种的培育中,第一个阶段已经部分取得成功,已经培育和评估出携带单个基因并对关键性状的表达有主效作用的优良家系。第二阶段,累积所有控制目标性状的主效基因,培育具有多重抗性和适应性的性状,此阶段正在进行。如果全面贯穿,GS不仅将有助于设计具有少数目标性状,还将可能设计具有基因组所有优良目标性状位点的新植物,完全实现分子设计育种的概念。

2.3等位基因挖掘:通过测序探究植物多样性

采用DNA技术可以在一个代表性的种质库中大规模解析与特定等位变异关联的基因或候选位点变异。第一个挖掘等位基因的技术是Eco-TILLING,通过核酸酶剪切杂合双链DNA分子,测定每个基因型与参考基因型之间的SNP。随着成本的不断降低,应用NGS技术可以进行复等位基因检测,等位基因挖掘正成为一种探索植物多样性的新常规化方法。而且,NGS为分析单倍型结构(包括频率、类型等)、拓展关联作图铺平了道路。早期的等位基因挖掘研究完全建立在搜索基因编码区的突变,因此,与蛋白质的结构和功能的变化有关。目前的重点已经延伸到对基因表达水平有重要效应的非编码序列,例如内含子、UTR(untranslatedregion)和启动子。

在种质选择中,对特异基因和明显关联等位基因的挖掘正发挥越来越重要的作用。种质资源重点鉴定策略(focusedidentificationofgermplasmstrategy,FIGS)是结合环境和植物特征来鉴定对某一特定环境具有潜在意义的种质资源的方案。应用FIGS,例如,从一个拥有16089个种质系的种质资源中选出1320个面包小麦地方品种,进行等位基因挖掘,搜索Pm3位点白粉病抗性的变异。分析该位点带有核酸变异种质系的表型,发现了7个新的抗性等位基因。对几百个大麦基因型进行等位基因挖掘,发现Mla位点上有白粉病抗性新位点、Rdg2a叶条纹病抗性以及VRN-H1/H4春化位点有新等位基因。在水稻中,等位基因挖掘能够鉴定Wx位点编码颗粒结合淀粉合酶等等。等位基因挖掘主要集中于单个或者几个特别位点,最新的NGS可以同时定向测定几百个位点,整个外显子组(exome),或者整个基因组。将这些技术运用到大的种质资源库可以在一个平行测定中发现所选择的若干个种质系的大多数位点的等位基因多样性。例如对500个中国水稻地方品种进行重测序大规模评价基因组遗传变异,鉴定了360万个SNPs,用于描绘籼稻和粳稻地方品种的连锁不平衡结构(LD),构建高密度的单倍型图谱。通过对14个农艺性状的全基因组进行关联分析,表明这个途径是进行遗传作图、复杂性状遗传分析的重要替代方案。大豆中,综合GWAS对31个栽培种和野生种进行重测序,检测到高水平LD以及大约200000个SNPs,可以用来定位复杂性状的QTL。

2.4转基因育种植物

转基因完全打破了物种界限,为育种者提供了传统方法无法接触的新基因。来自不同物种的基因可以插入并在农作物背景中表达,而且没有其他附加效应。通过选择不同的启动子,可以改变基因时空表达模式和强弱。转基因可以解决许多在主要作物中缺乏而且难以引进的基因。目前已经在抗病、虫、草等性状上获得了成功。除此之外,作物的营养、品质、磷吸收利用效率、固氮效率、对土壤盐分和铝毒耐性、光合速率、糖淀粉生产、雄性不育和无融合生殖固定自交作物的杂种优势等性状都被列为转基因(GM)的目标性状。目前,全世界的实验室里已经获得了大量的转基因作物,但实际应用的很少。除了政治和环境方面的考虑之外,单个或者少数几个基因对于复杂性状表现的影响非常有限,尤其是释放到大田经过“稀释”之后。植物转基因还容易产生基因组位置效应和基因沉默现象。然而,科学家相信,未来GM将是育种的重要途径。2012年全球GM作物面积达到1.7×108公顷,占总耕地面积的11%,52%的GM作物种植在发展中国家,而且发展中国家GM作物面积的增长率(11%)高于发达国家(3%)。92%以上的商业化GM作物集中在美国、巴西、阿根廷、加拿大、印度和中国。98%的GM作物是大豆(47%)、玉米(32%)、棉花(14%)和油菜(5%)。主要性状为抗除草剂(主要为抗草甘膦和草铵膦)和抗虫。

2.5超GM植物——新育种技术

随着分子生物学和基因组学技术的发展,现在可以利用重组DNA技术在作物品种早期选择阶段引入新的性状,而最后获得的植物基因组不含任何外来DNA系列。这样的技术总称为新育种技术。新育种技术促进了GM事件的发生,但是它们的终产物没有外源基因,获得的品种类似于采用传统点突变技术。考虑到早期阶段GM的介入,在法律上将通过这些技术获得的作物归类为生物技术来源作物(例如欧盟指引2001/18/EC)。

目前,最重要的新育种技术是促进座位特异性点突变技术。由于基因序列的微小变化对于植物基因型可以产生显著的影响,这种技术试图对基因组特定序列进行修饰,用来创造新的等位基因。寡核苷酸定点突变(oligonucleotide-directedmutagenesis,ODM)、转录激活样效应因子核酸酶(transcriptionactivator-likeeffectornuclease,TALEN)技术、锌指核酸酶(zinc-fingernuclease,ZFN)、成簇规律间隔短回文重复(clusteredregulatoryinterspacedshortpalindromicrepeat,CRISPR)技术可以特异性修饰某个靶向序列,与传统的点突变相似,但是效率更高,速度更快,没有多余的随机突变。这些技术对育种的意义和影响还有待观察,但其有创新性的前景。例如,利用ODM方法获得了玉米、小麦、水稻、烟草的新除草剂抗性以及油菜和香蕉抗生物胁迫性;利用CRISPR技术可以提高小麦对白粉病的抗性。

(本文节选自盖钧镒, 刘康, 赵晋铭. 中国作物种业科学技术发展的评述[J]. 中国农业科学, 2015, 48(17): 3303-3315.)

发表评论