分子育种

种子是农业的“芯片”, 良种在粮食增产方面起到了关键的作用，目前世界生物育种技术发展已经历了三个主要阶段： 1.0版：原始驯化选育。通过人工选择，优中选优，将野生种驯化为栽培种并进一步选育为优良品种与种质。 2.0版：常规遗传育种。包括杂交育种、诱变育种等方法。杂交育种是通过父母本杂交并对杂交后代进一步筛选，获得具有父母本优良性状的新品种新种质；诱变育种是人为利用物理、化学等因素，诱发亲本材料产生突变，从中选育具有优良性状的新品种新种质。 3.0版：分子育种。将分子生物学技术手段应用于育种中，通常包括分子标记辅助育种、转基因育种和分子模块育种等。 目前我国正在迈向生物育种4.0版：智能化育种。将基因编辑、生物育种、人工智能等技术融合发展，实现性状的精准定向改良发展。这不得不提到分子设计育种，它可以有效地将各种优良性状相关的基因聚合到一起，从而达到改良作物的目的。分子设计育种分子设计育种是在全基因组序列，重要农艺性状及关键基因功能机理解析等的基础上，通过选择最适合的亲本进行杂交与高效快速精准的分子选择，优化聚合各种重要农艺性状的优异基因及其网络，从而高效培育综合农艺性状优异新品种的先进技术体系。分子设计育种彰显出比传统杂交育种更为突出的优越性, 尤其是整合了基因组编辑技术, 可将育种周期缩短至5~6年, 大大提高育种效率，分子设计育种是未来作物育种的不二选择, 其精准性、高效性都将带领作物育种进入一个新的时代。培育超级品种提出多倍体野生稻快速从头驯化策略水稻驯化改良过程 水稻在漫长的驯化改良过程中，遗传多样性严重下降，有些基因已经丢失，比如耐盐碱，高抗病，耐瘠薄等基因，与二倍体植物相比，多倍体植物由于基因组多倍化，在生物量、耐逆性、抗病虫性、适应性以及遗传多样性等方面均具有显著优势。李家洋团队利用现代生物育种技术，实现从多倍体野生稻到多倍体栽培稻的快速驯化。 其核心策略包括筛选综合性状优异的异源四倍体野生稻底盘种质资源、建立野生稻快速从头驯化技术体系、品种分子设计与快速驯化以及新型水稻作物推广应用等四个阶段。四倍体野生稻快速从头驯化策略路径 这一研究成果标志着异源四倍体野生稻从头驯化初步成功，不仅证明了通过快速从头驯化将异源四倍体野生稻培育成为未来主粮作物的可行性，除了水稻，其他物种也可通过相同路径，从头驯化野生和半野生植物而创制优良新型作物。结束语 视频最后李家洋院士提到“未来的育种不只是解决吃得饱的问题，要聚焦吃的健康方面，开展营养育种，”让我们向这些为了老百姓一粥一饭的安全、健康付出心血的科学家们，致以最崇高的敬意~ 设计育种技术的研发成功，将从根本上保护我国的用种安全，使我国农业不再受制于国外大型育种公司，为保障我国粮食安全做出重大贡献。相关文献推荐：

2014年4月11日，德国耶拿携手杭州顺平公司，在浙江大学生命科学学院举办了“如何应对SSR分子标记技术在分子育种中的挑战”的专题讲座，由耶拿公司的应用专家吴潇韫女士主讲，内容涵盖植物育种技术、分子标记技术、SSR分子标记在植物育种中的应用，以及SSR分子育种研究中所遇到的挑战及德国耶拿提供的解决方案 。 众多浙江大学的师生参加了此次活动，讲座过程中提问讨论热烈，会后还举行了答谢客户的抽奖活动，活动举得圆满成功。

都说中国是“种花家”，中国人是“种菜民族”。从小区绿化到南极科考，从普通农田到“天宫”空间站，哪里有中国人，哪里就会被我们撒下希望的种子。比如神舟十四号乘组在进驻空间站期间，就完成了人类历史上第一次太空水稻全生命周期培养实验。从2022年7月29日注入营养液启动实验，至11月25日结束实验，水稻种子在中国空间站内经历了120天的空间培育生长，完成了种子萌发、幼苗生长、开花结籽这一“从种子到种子”的发育全过程。植物能够在太空环境中完成世代交替，才能在食物上保证人类未来的太空长期驻留。此次在太空实现水稻“从种子到种子”，相比传统的太空育种，是一次非常大的进步。其实，太空育种是传统诱变育种方法在航天领域的延伸，靠太空强烈的辐射作用诱发作物种子发生基因突变，然后在众多变异中筛选出有利的变异，逐步培育出一个新的作物品种。但太空育种在基因变异筛选上的效率并不高，因为变异完全靠随机“碰运气”。如何提高育种的效率，培育更多具有优良性状的新型果蔬、粮食？可以将目的基因直接导入到受体细胞中、能够精准预测新作物表达性状的分子育种技术就在蓬勃发展，与太空育种、杂交育种等多种育种技术一道，为中国农业科技化添砖加瓦。中国分子育种不缺上游设备在传统育种技术上，中国也有着很多优势。比如杂交水稻等常规育种手段，就处于国际领先地位，助力我国水稻的增产与丰收。据统计，我国杂交水稻种植面积超过1700万公顷，占全国水稻总面积50%以上；杂交稻比常规稻增产20%以上，每年增产粮食可养活7000万人，约相当于一个湖南省人口；水稻更是以约占我国粮食总面积25%的播种面积，贡献了近32%的产量。作为主粮，水稻是全国近七成人口的主食。对中国来说，保饭碗，首先就要保大米。但随着人民生活水平的逐年增长，我们需要更丰富的食品，粮食、水果、坚果、畜牧、水产，方方面面都需要优质的品种。而很多传统的育种方式，也在向着向着高效、精准、定向的分子设计育种转变。而最近，亿欧智库联合华大智造共同发布的《2022年中国农业分子育种行业发展白皮书》（以下简称“白皮书”）也指出，农业生物育种共分为四个阶段，即1.0原始驯化选育阶段、2.0常规育种阶段、3.0分子育种阶段、4.0智能育种阶段。当前国际种业已经逐渐从3.0分子育种迈入4.0智能育种阶段，中国生物 育种正处于2.0常规育种向3.0分子育种阶段发展。白皮书指出，面临国内外生物育种技术的巨大差异以及日益动荡的国际局势，发展分子育种技术、推动分子育种产业化应用，既是保障中国农业安全的必然要求，也是中国生物育种产业从业者面临的重大机遇。分子育种与常规育种有着怎样的区别呢？常规育种一般是指利用系统选育、杂交育种和诱变（物理、化学和航天诱变）等选育新品种的方法。但育种时间长、效率低，还有可预测和可控制性差等种种缺陷，简而言之，常规育种这种凭经验选育的过程就像一个“黑匣子”。而分子育种是将分子生物学技术应用于育种中，就可以打开黑匣子，加快筛选速度，从而育出市场所需要性状的新品种。分子育种在缩短育种时间上很有优势。用常规育种手段定向改良一个农艺性状，需要回交6代才能得到理想的植株，一般需要5-6年时间，而利用分子育种技术，通过早期的基因型选择，只需要3年左右，育种时间可以缩短一半。分子育种还能降低田间测试材料数量。假设有2个抗病材料，传统育种方法需要足够大的回交群体才可能获得想要的材料，但分子育种技术可以通过基因型分型筛选，先把含有抗病基因的材料筛选出来，这样就可以节省很多耕地。还是以水稻为例，由于我国70%的淡水资源被用于农业生产，而农业用水的70%又是由水稻消耗的。因此，我们更想要具有高产、抗旱性状的水稻。培育出这种种质资源，对于节约水资源、提高农民收益等均有重要意义。分子育种也和半导体产业一样，需要上游先进设备、仪器的支撑。白皮书援引华大智造合作伙伴博瑞迪生物测算数据，依托华大智造DNBSEQ-T7超高通量测序仪，下游作物种企能平均缩短一半合格种源培育周期；选择准确率提高20%-30%；成本降低90%以上。从这一角度来看，上游基础支撑的发展已为中国生物育种从2.0常规育种向3.0分子育种发展扫清了技术障碍，甚至为国内中、下游企业在“全基因组选择”等分子育种前沿领域与跨国企业一较高下提供了坚实基础，将极大加速国内分子育种产业化进程。为什么分子育种落后国外？尽管上游不缺先进设备，但国内育种分子科研段与市场端依然存在脱节。当前科研院所仍是中国农业育种领域的主力，拥有最丰富的育种资源和育种人才。而科研院所育种往往以申请项目和课题形式进行，对基础性、长期性、战略性研究重视不足，育种研发与市场脱节，产业转化不足。也就是说，以课题为核心的育种研发，和发达国家以市场为核心的育种研发相比，科研成果产业链无论转化速度还是转化数量都会相对较弱。而且，中国育种企业数量分散，行业集中度不高。面对国外巨头，更是难以拧成一股绳，以2020年数据来看，世界Top5种企分走了全球市场的半壁江山（52%）；而中国Top5种企的市占率却仅占中国市场的12%；如果聚焦到种猪领域，全球Top3企业市占率达47%，中国Top3企业却仅占中国市场的5%。中国种企规模小，格局分散，又会进一步限制其科技投入能力。白皮书认为，加快构建商业化育种体系需要以企业为主体，引导科研院所育种人才、技术、材料等育种资源向企业流动，最终通过“需求-研发-支撑”的市场化机制，推动中国种业由大到强。白皮书也指出，我国种业发展经历了五个阶段：“四自一辅”阶段、“四化一供”阶段、市场化改革阶段、深化改革阶段、发展变革阶段。目前的发展变革阶段，更需要龙头企业和重点种业企业的作为。从单体价值角度，畜禽单价显然高于作物，因此运用分子育种技术的投入回报更高；如果将视角放宽到世代间隔来看，这一优势将更被放大。因此，白皮书指出，相较于作物育种，畜禽培育周期更长，世代间隔时间更久，分子育种带来的收益自然更高。比如，随着人们对牛乳需求的多样性提升，近年来，水牛奶也成为乳品消费的新潮流。其实中国数十年前，就引进国外优良品种水牛，通过杂交改良、横交固定等育种方法，逐渐培育出了乳肉兼用型杂交水牛群体。但引进国外优良品种水牛进行杂交改良工作所需时间周期长，且会导致我国水牛优良品种的培育依赖国外核心种源，还可能导致国外水牛疾病传播至国内。因此，水牛业近年也在推行分子育种技术，开发水牛产奶性状的遗传力，为水牛优秀品种后代的选择提供依据。据了解，我们目前已经鉴定出五百多个与水牛产奶性状相关的候选基因。如有研究人员对384头水牛SCAP基因（SCAP为SREBP “Sterol Regulatory Element Binding Protein” Cleavage-Activating Protein的缩写,意指甾醇调节因子结合蛋白裂解激活蛋白）的分子特征、表达分析以及单核苷酸多态性与产奶性状之间的关系进行了研究，在水牛SCAP基因鉴定出了11个SNP（Single Nucleotide Polymorphisms，指在基因组上单个核苷酸的变异），其中有 6 个与水牛 305d（理想状态下，母牛年产1胎，干乳期60天,实际挤奶时间即305天）的产奶量显著相关。分子育种技术的兴起，不仅为水牛潜力的开发提供了强有力的支持，使水牛优良性状利用效率最大化速度加快，同时作为家畜分子育种技术的一个重要领域，也有利于畜牧业整体分子育种水平的提高。白皮书指出，中国是全球第二大种质资源库，资源总量超过52万份。但完成精准鉴定的比例却不足十分之一，未来中国分子育种发展既充满挑战，也蕴含着巨大的机遇。当然，这也需要国产测序仪相关企业需要持续推进高通量测序技术的研发，降低分子育种应用门槛。分子育种技术大有可为尽管在主粮上，我们已经实现“中国粮用中国种”，比如我国水稻、小麦两大口粮作物自主选育品种的种植面积占到95%以上。但随着气候变化引发的水资源短缺、大风暴雨等极端气候多变，以及城镇化发展导致的农村劳动力短缺，种田农民日渐老龄化，田间管理缺少青壮劳力等诸多问题，也对种子提出了更高要求。如何节水节肥？如何抗病抗寒？如何抗倒抗旱？如何耐盐耐碱？河南农业大学研究者李海泳、殷贵鸿就指出，借助分子标记辅助选择(MAS)、转基因等技术，在小麦抗旱、抗病、抗穗发芽等性状育种上，目前已经有88个抗旱、水分利用效率相关的数量性状基因座(QTL)及其连锁的分子标记被报道，TaAＲFs、DＲEB等30多个小麦抗旱、水分高效利用相关基因被克隆；这些抗旱相关基因被导入小麦后就能够提高植株的抗旱能力；有140多个能够抗叶锈病、秆锈病、白粉病、赤霉病、麦瘟病、叶枯病等多种病变的小麦近缘植物基因被正式命名，如偃麦草的抗黄矮病基因和冰草的多粒基因已经在小麦育种中发挥作用。也就是说，我们需要小麦具有怎样的性状，就从基因层面去选择能够起到作用的优质种质资源，包括近缘植物基因都可以利用到。据报道，为找到抗病基因，山东农业大学小麦种质创新与利用团队仅2016年以来就分析了4.5万株小麦实验群体，完成超过30万次DNA扩增。用了数年时间，才在全球首次从小麦近缘植物长穗偃麦草中克隆出抗赤霉病关键基因Fhb7，并揭示了其抗病分子机制。小麦育种的“卡脖子”难题，就在于如何找到那些基因，从而能够将这些良种推广到中国大地上。李海泳、殷贵鸿就指出，目前我国小麦育种中存在的“卡脖子”问题主要有品种遗传基础狭窄、原创性分子育种技术缺乏和精准的表型鉴定困难等。正如芯片中有数以亿计的晶体管一样，种子里也有数以万计的基因，在选育优良性状时，基因相互之间还有作用和影响。这就导致实际上能够产生的变化，并不是数以万计，而是几何级数的变化。如何把优良的基因发掘、鉴定出来，如何进一步地杂交、分离、重组、筛选，如何对数以万计的基因重新“排列组合”，这些难题，还有待中国产业界、科研界共同努力，逐步提高分子育种的种植面积。分子育种不仅通过高产抗病实现在原土地上替换传统育种，更可以通过耐寒耐冷增加耕种面积，从而保护18亿亩耕地红线。据了解，超早熟大豆品种的育成，使我国黑龙江一些高纬度地区大豆生产迈上新台阶；耐旱作物和耐旱品种的选育，也为半干旱地区农业生产的稳步增长作出了贡献。分子育种，简直就是上帝的手术刀，为农业“刻划”出无数具备新性状的新品种。比如，不仅是增产，还可以增加营养、风味等。如培育出能够延缓餐后血糖上升、控制糖尿病病人病情的高抗性淀粉、高膳食纤维含量的小麦品种，或者能增强免疫力的高花青素、高维生素含量的小麦，或者对高血脂、高血糖、动脉硬化等有一定疗效的高麦黄酮小麦，微量元素易被吸收的低植酸含量、高植酸酶活性小麦等。不过，由于小麦基因组庞大、遗传转化率低、和目的基因有遗传累赘等因素影响，分子育种技术在小麦上的应用，目前还是落后于玉米、水稻等基因组较小的作物。而且，还有很多性状没有找到关键基因或有待进一步细分筛选，如抗倒春寒、耐热、抗穗发芽、抗茎腐病、抗虫等。在打好种业翻身仗上，小麦等品种依然需要国内产业科研界的通力努力。而其他作物同样大有可为。中国农业科学院生物技术研究所刘哲源等研究者通过梳理专利发现，在蔬菜分子育种专利技术中，转基因技术最先发展起来，专利申请量在2011年达到高峰。但由于转基因技术具有基因敲除位点不可控、遗传不稳定、外源基因插入不可控以及不可避免插入标记基因等问题，进入21世纪后被新兴的分子标记辅助育种技术逐步取代。分子标记辅助育种技术21世纪初开始盛行，2004年起就成为蔬菜分子育种的主要应用技术，专利申请量远超转基因、基因编辑、全基因组选择等技术。在权重上，目前全球蔬菜分子育种技术专利主要集中于番茄、黄瓜、白菜和辣椒等。但人类需要具有优良性状的瓜果蔬菜何止千万种，借助分子育种技术，不仅要让番茄、黄瓜具有更多新的口味和品种，还有让更多瓜果蔬菜能够成为餐桌上的新宠儿。不过，刘哲源指出，在蔬菜专利申请上，中国是科研机构为主，而美国则是以塞米尼斯蔬菜种子公司、陶氏益农公司、陶氏杜邦先锋公司等大型机跨国集团为主。且中国在蔬菜分子育种相关专利中运用较多的是分子标记辅助育种技术，缺乏最近几年新兴的全基因组选择技术、基因编辑技术等。在分子育种技术上，中国还有很大发展空间。毕竟，相比于芯片，分子育种不缺上游设备，下游又有着极大需求，相关科研机构也具有相当水平。未来几年，随着高通量测序技术进步带来基因型分析成本的降低，以及科研机构与下游产业合作的进一步加深，产研转化顺畅之下，更多企业也将有机会在分子育种学术成果产业化上获益。参考文献：1. 刘哲源,康宇立,唐巧玲,李蕾,王友华.基于全球蔬菜分子育种专利的信息分析及技术展望[J].中国蔬菜,2022(09)2. 李海泳，殷贵鸿．从国家粮食安全角度探讨我国小麦育种发展趋势［J］．江苏农业科学，2022，50(18)3. 我国奶水牛选育步入现代分子育种时代[J].农业科技与信息,2021(20)4. 丁蕾,张俊红,王涛涛,欧阳波,叶志彪,张余洋.蔬菜作物重要基因鉴定及其分子育种应用[J].分子植物育种,2022,20(22)5. 高海强.棉花纤维品质分子育种的现状及展望[J].农业技术与装备,2022(06)6. 朱立娟.玉米耐旱育种及分子育种策略探析[J].河南农业,2022(14)