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分子育种技术 让水稻也“优生优育” 2017-08-15 09:28:41   来源:南方日报   
  米饭,是我们再熟悉不过的粮食了。如果说水稻也能像设计工业品一样被“定制”,例如让米饭富含某种特定营养,甚至让米粒变成彩色既好看又好吃,你是否会觉得这是天方夜谭?
 
  虽然距离“像设计工业品一样设计水稻”还有很长的路要走,但目前我省科学家已让不少天方夜谭的想法变成了现实,如让米饭更香、口感更好、改变水稻耐高低温或盐碱的能力等。
 
  助力这一梦想照进现实的“幕后功臣”便是分子育种技术,它也被众多专家看成是“未来水稻育种”的方向。那么,分子育种技术是如何让水稻心甘情愿改变“性情”的?相比传统育种它又有何优势?广东水稻分子育种技术在全国又是处于什么水平呢?
 
  1 目标是啥? 通过分子技术改良生物品种 
 
  “你看这株秧苗,它旁边其他植物都被除草剂杀死,只有它还是绿油油的。”深圳市作物分子设计育种研究院常务副院长、国家“千人计划”专家唐晓艳指着该院二楼办公室的展板介绍,这是她5年前研制出的非转基因、具有抗除草剂特性的广适优良籼稻新品系,目前在湛江雷州市试种,因其有利于水稻直播,能减少水稻种植过程中劳动力投入,降低成本提高收入,深受当地农民的青睐。
 
  这一具有抗除草剂特性的广适优良籼稻新品系,只是该院几大核心研究成果之一。唐晓艳所在团队的另一项研究成果是广三系杂交育种技术体系??一个被袁隆平称赞为“3G育种技术”的体系。
 
  记者在采访中了解到,无论是抗除草剂特性的广适优良籼稻新品系,还是广三系杂交育种技术体系,都离不开当前育种界的“热门”??分子育种技术,它也被众多专家看成是未来育种的方向。
 
  那么,什么是分子育种呢?广东省农业科学院水稻研究所所长王丰告诉记者,分子育种包括利用分子标记辅助选择育种技术、转基因技术、基因编辑技术和全基因组选择技术开展的育种,可以按照人的意愿进行定向改造水稻的某些性状,使现有品种更加趋于完善,是更高效、更精准的水稻新品种培育技术体系,“分子标记辅助育种是通过寻找与重要农艺性状紧密连锁的DNA分子标记,从基因型水平上实现对目标性状的直接选择,从而加快育种进程,提高育种效率,选育抗病、优质、高产的品种。”王丰说,“分子标记辅助育种不涉及转基因,与常规的杂交育种原理一样,只是把分子标记当成一个工具来辅助育种。”
 
  2 原理是啥? 改变基因碱基或让基因功能失活 
 
  日常生活中,大家煮饭或吃饭的时候,常常能闻到米饭有一股淡淡的香味,王丰介绍,水稻多数品种原本是没有香味的,但为何目前很多高档优质米都有香味呢?这是因为水稻中的BAD2基因突变,缺失了8个碱基,导致基因功能的丧失,使产生香味的代谢物质乙烯吡咯啉不能转化,从而累积在稻米中,使米饭有芳香味。
 
  在分子育种方面,科学家也可以通过基因编辑技术对控制各种性状的DNA片段即基因中的碱基进行编辑,从而导致基因的功能改变,最终使得由其控制的性状也发生改变。王丰解释,“目前,我们可以通过基因编辑的方法,改变BAD2基因的1?2个碱基,使基因的功能失活,从而达到水稻品种由无香变为芳香可口的目的。”
 
  对于分子育种之所以会出现,唐晓艳认为,这与基因功能的研究发展密切相关。上世纪80年代中期以后,随着稻米市场的逐步开放和生活水平的不断提高,单一追求产量的超高产水稻品种难以满足市场的需求,“在人们的温饱问题解决后,越来越多的人希望能吃到 好吃 的大米。”唐晓艳说。
 
  因此,改善稻米综合品质,成了育种专家和稻米企业共同追求的目标。但水稻的产量和品质均为复杂的数量性状。“如何将这些高产、优质、抗多种病虫的各种复杂性状调控和谐、有序地整合于当前主栽品种,则是传统育种面临的技术困境,而基于基因功能研究以及当前生物学技术进步的分子设计育种,就展现出了巨大的技术优势。因此,分子育种技术也应运而生。”唐晓艳表示。
 
  王丰介绍,目前国内外的一些育种专家也正是利用分子育种技术来改善抗性、稻米综合品质。总的来说,广东在这一方面是走在全国前列的。
 
  近年来,王丰所在的广东省农科院水稻所就通过与国际水稻研究所合作,系统开展了水稻三黄占2号的稻瘟病持久抗性分子遗传机制研究,标记定位了6个稻瘟病持久抗性基因,并克隆了其中1个抗病QTL和1个主效基因。稻瘟病的研究还获得了国家自然科学基金国际合作重大项目的资助。
 
  此外,“十二五”以来,已标记定位出水稻稻瘟病抗性、耐冷性、耐热性、高收获指数等性状的相关基因(QTL)74个;克隆和功能验证13个与稻瘟病抗性和耐冷性相关基因;通过分子标记辅助选择创建了一批优良的水稻新种质。“分子育种可以说是给水稻做 优生优育 。”王丰形象地比喻。
 
  3 有何优势 选育新品种可以更精准高效 
 
  传统的育种,育种专家要想获得一个性状良好(抗性、株型、品质、产量等)的材料,往往通过杂交或回交转育后,只能凭借自己的经验在浩如烟海的水稻后代中观察、选择,费时费力。“有些传统的育种专家甚至一辈子都无法选育出自己想要的品种。”王丰感慨道。
 
  “采用分子育种就不会出现这种情况,它相当于给育种专家增加了一种更为精准的技术手段。”唐晓艳说,分子标记辅助育种,可以利用与目标性状紧密连锁的DNA分子标记对目标性状进行间接选择。即利用与目标性状基因紧密连锁的分子标记,对目标性状进行跟踪选择,能克服目标性状在田间受环境因素影响的困难,而且在早代就能够对目标基因的转移进行准确、高效的选择,克服隐性基因利用时识别的困难,从而能够加速育种进程,提高育种效率。
 
  “它(分子育种)实现从传统 经验育种 ,逐渐转变成以基因组信息为依据的 精准育种 。”王丰解释,在实验室就可以快速排除非目标单株,误判的概率在5%以下,避免了大量的田间筛选工作,这样选育一个新品种时间可以大大缩短。
 
  4 未来方向 像设计工业品一样设计水稻 
 
  同样属于分子育种范畴的DNA重组转基因技术也具有准确快速的特点。DNA重组转基因技术,可以针对作物品种的某个缺点,针对性地导入一个或几个功能基因,克服其缺陷。目前在全世界广泛种植推广的转基因抗虫抗除草剂农作物,就是DNA重组转基因技术的重要成果。
 
  当然,转基因技术也能生产不带转基因的作物新品种,目前正在日益兴起的基因编辑技术便是其中一个实例。所谓基因组编辑技术,就是通过对生物基因组特定靶位点进行定向改变的新技术,在农作物分子遗传改良育种上已呈现出广阔的应用前景。
 
  中国农业科学院深圳农业基因组研究所所长钱前举例说,大米口感好不好主要取决于两个基因,弄明白这一点,育种专家就可以对不同品种进行相应的置换和改造,得到想要的口味。
 
  “广三系杂交育种技术是另一个实例”。唐晓艳阐述道。广三系不育系糅合了传统“三系法”和“两系法”的优点,克服了两者存在的缺点??在提高水稻种质资源利用率至接近100%的同时,又避免了自然条件(光温)对不育系育性的影响,大大降低了杂交制种的风险。这两个目标要同时实现,在分子育种出现前几乎不可能。如今能实现这一目标,分子育种技术“功不可没”。
 
  不过,唐晓艳认为,上述技术还有比较长的路要走,首先,分子设计所涉及的基因数量巨大,这需要对基因有相当深入的研究,需要时间和精力的投入;其次,通过DNA重组转基因技术产生的转基因新品种从实验室研究成果到商业化产品,需要经过中间试验、环境释放、生产性试验、安全证书申请等环节,这一过程至少需要10年以上。
 
  “在电脑前是选不好品种的。”王丰也认为,育种是一门实践性非常强的学科,因此,分子育种无论走到哪一层,一定要与传统育种结合。这就需要既要做好基因的基础研究,也要做好育种研究。
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