傳統(tǒng)與現(xiàn)代植物育種方法的優(yōu)缺點(diǎn),分子育種的進(jìn)展馬云海

傳統(tǒng)與現(xiàn)代植物育種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分子育種的進(jìn)展生物工程系馬云海學(xué)號(hào)：8201203077摘要：植物育種是一門(mén)很復(fù)雜的技術(shù)，針對(duì)不同的植物應(yīng)采用不同的育種方式，要對(duì)各種育種方式進(jìn)行比較，選擇簡(jiǎn)易、可操作的方式。近年來(lái)，隨著基因組測(cè)序等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，基因組學(xué)、表型組學(xué)等多門(mén)“組學(xué)”及生物信息學(xué)得到迅猛發(fā)展，作物育種理論和技術(shù)也發(fā)生了重大變革。以分子標(biāo)記育種、轉(zhuǎn)基因育種、分子設(shè)計(jì)育種為代表的現(xiàn)代作物分子育種技術(shù)逐漸成為了全世界作物育種的主流，本文在比較傳統(tǒng)育種和現(xiàn)代育種的優(yōu)缺點(diǎn)，由于傳統(tǒng)育種工作依賴(lài)于育種家的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)遇，往往存在很大的盲目性和不可預(yù)測(cè)性，而分子育種能顯著提高育種效率，為保障我國(guó)糧食安全、生態(tài)安全提供更強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞：植物育種；傳統(tǒng)植物育種；；分子育種；增加作物單產(chǎn)對(duì)于社會(huì)穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。良種是一種最為經(jīng)濟(jì)有效的增產(chǎn)因素，而良種的獲得與作物育種方法的不斷改進(jìn)密不可分。隨著人類(lèi)文明的不斷進(jìn)步，作物育種經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，從最初的系統(tǒng)選育，到后來(lái)的雜交育種、雜交優(yōu)勢(shì)育種、誘變育種、分子標(biāo)記輔助育種、轉(zhuǎn)基因育種等。從20世紀(jì)60年代起，我國(guó)進(jìn)入了現(xiàn)代多樣化育種階段，方法的創(chuàng)新呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，現(xiàn)在基本形成了以雜交育種方法為主，多種育種方法并存的局面。近些年來(lái)，生物技術(shù)廣泛應(yīng)用于作物育種當(dāng)中，展示了其特有的作用和前景，如分子標(biāo)記輔助育種和轉(zhuǎn)基因育種，但是這些技術(shù)或方法在育種中的應(yīng)用還處于起步階段，還有很多基礎(chǔ)理論和具體應(yīng)用技術(shù)需要解決。以水稻為例，日前已擁有較完整全基因組數(shù)據(jù)、高密度分子標(biāo)記和轉(zhuǎn)化技術(shù)等，但仍然缺乏品質(zhì)、產(chǎn)量、抗性等復(fù)雜性狀綜合改良的高效育種策略；日前采用的轉(zhuǎn)化方法對(duì)外源基因在受體植物上的整合是隨機(jī)的且單基因?qū)耄诙c(diǎn)整合和多基因?qū)爰夹g(shù)等方面有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。同時(shí)，作物育種還存在育種周期長(zhǎng)、公共平臺(tái)和共享資源建設(shè)不夠、遺傳基礎(chǔ)狹窄等一系列其他問(wèn)題。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，分子生物學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)、電子計(jì)算機(jī)等學(xué)科飛速發(fā)展并與作物育種應(yīng)用領(lǐng)域緊密結(jié)合，逐步形成一些作物育種新方法。如分子設(shè)計(jì)育種、基因組重測(cè)序等是日前備受關(guān)注的幾種方法。本文重點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)和現(xiàn)代育種方法的最新進(jìn)展和應(yīng)用前景以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了論述。認(rèn)為傳統(tǒng)和現(xiàn)代育種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)針對(duì)不同的情況選用不同的育種方法。植物育種是一門(mén)很復(fù)雜的技術(shù)，針對(duì)不同的植物應(yīng)采用不同的育種方式，要對(duì)各種育種方式進(jìn)行比較，選擇簡(jiǎn)易、可操作的方式。同一種育種方式應(yīng)用于不同的生物也會(huì)有不盡相同的育種過(guò)程，所以我們無(wú)論在生產(chǎn)實(shí)踐中還是有關(guān)習(xí)題訓(xùn)練中都應(yīng)靈活應(yīng)用。一、幾種傳統(tǒng)育種和現(xiàn)代育種的方法的比較在高中階段所介紹的育種方法主要有：誘變育種、雜交育種、多倍體育種、單倍體育種、細(xì)胞工程育種（組織培養(yǎng)育種）、基因工程育種（轉(zhuǎn)基因育種）、植物激素育種等。1、雜交育種原理：基因重組。(2)方法：連續(xù)自交，不斷選種。(不同個(gè)體間雜交產(chǎn)生后代，然后連續(xù)自交，篩選所需純合子)發(fā)生時(shí)期：有性生殖的減數(shù)分裂第一次分裂后期或四分體時(shí)期，優(yōu)點(diǎn)：使同種生物的不同優(yōu)良性狀集中于同一個(gè)個(gè)體，具有預(yù)見(jiàn)性?！扇秉c(diǎn)：育種年限長(zhǎng)，需連續(xù)自交才能選育出需要的優(yōu)良性狀。(6)舉例：矮莖抗銹病小麥等。2、誘變育種原理：基因突變。⑵方法：用物理因素(如乂射線、1射線等)、化學(xué)因素(如亞硝酸、秋水仙素等各種化學(xué)藥劑)、生物因素或空間誘變育種(用宇宙強(qiáng)輻射、微重力等條件)來(lái)處理生物。發(fā)生時(shí)期：有絲分裂間期或減數(shù)分裂第一次分裂間期(DNA分子復(fù)制的時(shí)候)。優(yōu)點(diǎn)：能提高變異頻率，加速育種進(jìn)程，可大幅度改良某些性狀，創(chuàng)造人類(lèi)需要的變異類(lèi)型，從中選擇培育出優(yōu)良的生物品種；變異范圍廣。⑸缺點(diǎn)：有利變異少，須大量處理材料；誘變的方向和性質(zhì)不能控制；改良數(shù)量性狀效果較差，具有盲目性。(6)舉例：青霉素高產(chǎn)菌株、太空椒、高產(chǎn)小麥、“彩色小麥”等。3、多倍體育種原理：染色體變異。方法：秋水仙素處理萌發(fā)的種子或幼苗(秋水仙素能抑制細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中紡錘體的形成)。優(yōu)點(diǎn)：可培育出自然界中沒(méi)有的新品種，且培育出的植物器官大，產(chǎn)量高，營(yíng)養(yǎng)豐富。缺點(diǎn)：結(jié)實(shí)率低，發(fā)育延遲。舉例：三倍體無(wú)子西瓜、八倍體小黑麥。4、單倍體育種原理：染色體變異。方法：花藥離體培養(yǎng)獲得單倍體植株，再用秋水仙素等誘導(dǎo)劑人工誘導(dǎo)染色體數(shù)日加倍。優(yōu)點(diǎn)：自交后代不發(fā)生性狀分離，能明顯縮短育種年限，加速育種進(jìn)程。缺點(diǎn)：技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，需與雜交育種結(jié)合，其中的花藥離體培養(yǎng)過(guò)程需要組織培養(yǎng)技術(shù)手段的支持，多限于植物。舉例：“京花一號(hào)”小麥。5、細(xì)胞工程育種方式：植物組織培養(yǎng)植物體細(xì)胞雜交細(xì)胞核移植原理：植物細(xì)胞的全能性植物細(xì)胞膜的流動(dòng)性動(dòng)物細(xì)胞核的全能性方法：離體的植物器官、組織或細(xì)胞?愈傷組織一根、芽一植物體去掉細(xì)胞壁?誘導(dǎo)原生質(zhì)體融合一組織培養(yǎng)核移植?胚胎移植優(yōu)點(diǎn)：快速繁殖、培育無(wú)病毒植株等克服遠(yuǎn)緣雜交不親和的障礙，培育出作物新品種繁殖優(yōu)良品種，用于保存瀕危物種，有選擇地繁殖某性別的動(dòng)物缺點(diǎn)：技術(shù)要求高、培養(yǎng)條件嚴(yán)格技術(shù)復(fù)雜，難度大；需植物組織培養(yǎng)等技術(shù)導(dǎo)致生物品系減少，個(gè)體生存能力下降。舉例：試管苗的培育、培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因植物培育〃番茄馬鈴薯〃雜種植株〃多利〃羊等克隆動(dòng)物的培育6、基因工程育種(轉(zhuǎn)基因育種)原理：基因重組方法：基因操作(提取日的基因一裝入載體一導(dǎo)入受體細(xì)胞一基因表達(dá)一篩選出符合要求的新品種)優(yōu)點(diǎn)：日的性強(qiáng)，可以按照人們的意愿定向改造生物；育種周期短。缺點(diǎn)：可能會(huì)引起生態(tài)危機(jī)，技術(shù)難度大。舉例：“傻瓜水稻”、抗蟲(chóng)棉、固氮水稻、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物(轉(zhuǎn)基因鯉魚(yú))等7、植物激素育種原理：適宜濃度的生長(zhǎng)素可以促進(jìn)果實(shí)的發(fā)育方法：在未受粉的雌蕊柱頭上涂上一定濃度的生長(zhǎng)素類(lèi)似物溶液，子房就可以發(fā)育成無(wú)子果實(shí)。（3）優(yōu)點(diǎn)：由于生長(zhǎng)素所起的作用是促進(jìn)果實(shí)的發(fā)育，并不能導(dǎo)致植物的基因型的改變，所以該種變異類(lèi)型是不遺傳的。（4）缺點(diǎn)：該種方法只適用于植物。（5）舉例：無(wú)子番茄的培育育種的根本日的是培育具有優(yōu)良性狀（抗逆性好、品質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)量高）的新品種，以便更好地為人類(lèi)服務(wù)。那么，我們應(yīng)該怎樣選擇育種方法呢？二、育種方法的選擇選擇育種方法要視具體育種日標(biāo)要求、材料特點(diǎn)、技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)因素，進(jìn)行綜合考慮和科學(xué)決策：一般作物育種可選雜交育種和單倍體育種；為得到特殊性狀可選擇誘變育種（如航天育種）或多倍體育種；若要將特殊性狀組合到一起，但又不能克服遠(yuǎn)緣雜交不親和性，可考慮運(yùn)用基因工程和細(xì)胞工程育種，如培育各種用于生物制藥的工程菌。具體方法就是：若要培育隱性性狀的個(gè)體，可選用雜交育種，只要出現(xiàn)該性狀即可。若要培育無(wú)性繁殖的顯性性狀的個(gè)體，可選用雜交育種，只要出現(xiàn)該性狀即可。如要培育黃肉抗?。≧rYy）的馬鈴薯。若要快速獲得純種，可用單倍體育種。若要培育原先沒(méi)有的性狀，可用誘變育種。若從基因組成上看，育種日標(biāo)基因型可能是：①純合體，便于制種、留種和推廣；②雜交種，充分利用雜種優(yōu)勢(shì)。我們根據(jù)各種育種方式的特點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的歸納小結(jié)。操作最簡(jiǎn)易育種方法：雜交育種快速育種方法：?jiǎn)伪扼w育種創(chuàng)造新性狀育種方法：誘變育種種間育種法：生物工程育種在20世紀(jì)之前，作物育種基本上是一種“藝術(shù)”；在孟德?tīng)栠z傳學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)后，育種家們才逐漸把科學(xué)”融入“藝術(shù)”之中［1］。在傳統(tǒng)育種中，基本上是對(duì)表現(xiàn)型進(jìn)行直接選擇，因此常常又被稱(chēng)為“經(jīng)驗(yàn)育種”，一般存在周期長(zhǎng)、效率低等缺點(diǎn)［2］。近20年來(lái)，隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)等新興學(xué)科的飛速發(fā)展，使育種家對(duì)基因型進(jìn)行直接選擇成為可能作物分子育種因此應(yīng)運(yùn)而生。分子育種就是把表現(xiàn)型和基因型選擇結(jié)合起來(lái)的一種作物遺傳改良理論和方法體系，可實(shí)現(xiàn)基因的直接選擇和有效聚合，大幅度提高育種效率，縮短育種年限［3］，在提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)、增強(qiáng)抗性等方面已顯示出巨大潛力，成為現(xiàn)代作物育種的主要方向［4］。作物分子育種，即在經(jīng)典遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等理論指導(dǎo)下，將現(xiàn)代生物技術(shù)手段整合于傳統(tǒng)育種方法中，實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)型和基因型選擇的有機(jī)結(jié)合,培育優(yōu)良新品種［5］。根據(jù)分子手段參與形式的不同，分子育種可分為以下幾種主要類(lèi)型。分子標(biāo)記育種又稱(chēng)為分子標(biāo)記輔助選擇，是利用與日標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，在雜交后代中準(zhǔn)確鑒別不同個(gè)體的基因型，從而進(jìn)行輔助選擇育種。因此，分子標(biāo)記育種能有效地結(jié)合基因型與表現(xiàn)型鑒定，顯著提高選擇的準(zhǔn)確性和育種效率。迄今為止，分子標(biāo)記育種涉及的性狀多為質(zhì)量性狀，涉及到的基因多為單基因或少數(shù)幾個(gè)基因［6-7］。對(duì)于數(shù)量性狀來(lái)說(shuō)，QTL表達(dá)常與環(huán)境和遺傳背景密切相關(guān)，因此QTL檢測(cè)往往穩(wěn)定性差，檢測(cè)到的QTL難以用于育種實(shí)踐［2,8］。針對(duì)日前分子標(biāo)記育種效率還不太高等問(wèn)題Collard等［9］和Xu等［6］在深入分析其原因的基礎(chǔ)上，提出了一些對(duì)策。例如，利用近等基因系進(jìn)行育種［2］，或利用高代回交系同時(shí)進(jìn)行QTL分析(AB-QTL)和遺傳改良［10-11］，可提高分子標(biāo)記育種效率。在AB-QTL方法的基礎(chǔ)上，Li等［12］提出在BC2或BC3代進(jìn)行高強(qiáng)度選擇后構(gòu)建導(dǎo)入系，可同時(shí)開(kāi)展QTL研究和高效的分子標(biāo)記育種。此外,Podlich等［13］提出了MAYG策略，認(rèn)為在QTL定位的過(guò)程中，充分考慮育種群體的具體情況，檢測(cè)到的QTL應(yīng)用價(jià)值更大。Heffner等［14］提出全基因組選擇技術(shù)(genomicselection)來(lái)解決多基因控制的低遺傳力性狀的改良問(wèn)題，利用全基因組標(biāo)記來(lái)準(zhǔn)確估計(jì)育種值，從而加速育種進(jìn)程。轉(zhuǎn)基因育種是利用重組DNA技術(shù)，將功能明確的基因通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化手段導(dǎo)入受體品種的基因組,并使其表達(dá)期望性狀的育種方法。由于克隆的基因可來(lái)自任何物種，所以轉(zhuǎn)基因育種能打破基因在不同物種間交流的障礙，克服傳統(tǒng)育種方法難以解決的問(wèn)題。在轉(zhuǎn)基因育種中，盡管近年來(lái)發(fā)表了大量的相關(guān)論文、申請(qǐng)了大量專(zhuān)利，但很少基因進(jìn)入田間測(cè)試來(lái)評(píng)估其在日標(biāo)作物中的育種利用價(jià)值，有商業(yè)利用價(jià)值的基因更少［15］。要特別提到的是，轉(zhuǎn)基因育種必須與傳統(tǒng)育種和分子標(biāo)記育種相結(jié)合［16］。同時(shí)，。還需要特別關(guān)注轉(zhuǎn)基因作物及其產(chǎn)品的安全性問(wèn)題［17］1.1分子標(biāo)記育種分子標(biāo)記育種又稱(chēng)為分子標(biāo)記輔助選擇，是利用與日標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，在雜交后代中準(zhǔn)確鑒別不同個(gè)體的基因型，從而進(jìn)行輔助選擇育。因此，分子標(biāo)記育種能有效地結(jié)合基因型與表1分子標(biāo)記輔助育種分子標(biāo)記技術(shù)是以DNA序列多態(tài)性為基礎(chǔ)的遺傳標(biāo)記技術(shù)。分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)(markerassistedsekction，MAS)是一項(xiàng)極有潛力的育種新技術(shù)，利用分子標(biāo)記輔助選擇能加速品種遺傳改良，并極大地提高育種效率。分子標(biāo)記輔助育種已在許多作物的育種中進(jìn)行了成功的應(yīng)用。在單基因遺傳性狀MAS的應(yīng)用主要通過(guò)基因聚合和基因滲入兩種方式?；蚓酆现饕獞?yīng)用于抗性基因聚合上，即將多個(gè)控制垂直抗性的基因聚合在同一品種中，來(lái)提高作物的抗病能力。例如在水稻抗白葉枯病基因的聚合，Yoshimura等(1995)通過(guò)RFLP和RAPD標(biāo)記將來(lái)自不同組合的5個(gè)白葉枯病抗性基因Xal、Xa3、Xa4、Xa5和Xa10聚合在一起，其中具Xa4+Xa10的純系出現(xiàn)了原單個(gè)抗性基因所沒(méi)有的新抗性類(lèi)型?；驖B入是通過(guò)回交的方式使得日的基因從遺傳種質(zhì)或中間材料中轉(zhuǎn)到日標(biāo)材料中。例如Chen等(2000)以IRBB21為供體材料，對(duì)生產(chǎn)上廣泛使用的“明恢63”進(jìn)行MAS改良，找到4個(gè)與Xa21緊密連鎖的PCR標(biāo)記。其中RG103、248與Xa21共分離，C189、A89分別在Xa21兩側(cè)0.8和3.0cm處，并且選用了標(biāo)記間最大圖距不超過(guò)30cm均勻分布于每條染色體的128個(gè)RFLP標(biāo)記用于背景選擇。通過(guò)兩代正向選擇和負(fù)向選擇.將導(dǎo)人片段限定在3.8cm以?xún)?nèi)。在BC3F1代的250個(gè)抗性單株中，運(yùn)用RFLP標(biāo)記選擇到2株除日標(biāo)區(qū)域外遺傳背景完全恢復(fù)為“明恢63”的個(gè)體，自交一代后運(yùn)用標(biāo)記248選出基因型純合的抗病單株，從而得到改良的“明恢63”。MAS同樣可以應(yīng)用到復(fù)雜性狀或復(fù)雜性狀的改良上。雖然MSA技術(shù)在這些性狀改良上的應(yīng)用不多，但仍取得了一定的進(jìn)展。以知名種業(yè)跨國(guó)公司先止達(dá)為例，該公司自上世紀(jì)90年代開(kāi)始在他們所有育種項(xiàng)日利用分子標(biāo)記輔助技術(shù)改良作物數(shù)量性狀（如產(chǎn)量）。他們建立了分子標(biāo)記檢測(cè)系統(tǒng)、信息分析系統(tǒng)和分子標(biāo)記輔助選擇的選育系統(tǒng)，這些選育系統(tǒng)顯著增加了優(yōu)良品種的總體表現(xiàn)。他們?cè)谟衩子N實(shí)踐的結(jié)果表明，分子標(biāo)記輔助育種可以一年進(jìn)行3個(gè)輪次或循環(huán)的選育，而常規(guī)育種只能進(jìn)行2次選育.這樣兩種方法選育獲得品系的性狀表現(xiàn)（以多性狀選擇指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)）則出現(xiàn)明顯的差異。再如玉米雜交優(yōu)勢(shì)的遺傳改良試驗(yàn)，該研究用76個(gè)標(biāo)記對(duì)控制玉米產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)的QTL進(jìn)行定位鑒定，然后將自交系Tx303和Oh43中的有利等位基因分別轉(zhuǎn)入到自交系B73和Mo17中。最后獲得了116個(gè)改良的B73X改良的Mo17的組合，比原始的B73XMo17組合和一個(gè)高產(chǎn)組合先鋒雜交種3165皆增產(chǎn)10%以上。數(shù)量性狀遺傳比單基因控制的質(zhì)量性狀要負(fù)復(fù)雜的多，要采用MSA對(duì)數(shù)量性狀改良，不但需要同時(shí)對(duì)幾個(gè)QTL進(jìn)行操作，還要考慮QTL間及其QTL與環(huán)境的互作，從而影響數(shù)量遺傳性狀的準(zhǔn)確定位。2分子設(shè)計(jì)育種分子設(shè)計(jì)育種的概念最早是由荷蘭科學(xué)家Pelemen和vanderVoort于2003年提出的，他們對(duì)“設(shè)計(jì)育種”(breedingbydesign)這一名詞進(jìn)行了商標(biāo)注冊(cè)［18］。所謂作物分子設(shè)計(jì)育種，是一種以生物信息學(xué)為平臺(tái)，以基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，綜合作物育種程序中所用的作物遺傳、生理生化和生物統(tǒng)計(jì)等學(xué)科知識(shí)，根據(jù)具體作物的育種日標(biāo)和生長(zhǎng)環(huán)境，先在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)最佳方案，再開(kāi)展作物育種試驗(yàn)的新型作物育種方法。我國(guó)2003年國(guó)家“863”計(jì)劃設(shè)立了“分子虛擬設(shè)計(jì)育種”專(zhuān)題，是我國(guó)最早開(kāi)辟的分子設(shè)計(jì)育種研究項(xiàng)日。程式華等(2004)、萬(wàn)建民(2006)等先后從不同角度提出了我國(guó)分子設(shè)計(jì)育種的策略［19］。分子設(shè)計(jì)育種主要分三步進(jìn)行：(1)定位所有相關(guān)農(nóng)藝性狀的QTL；(2)評(píng)價(jià)這些位點(diǎn)的等位性變異；(3)開(kāi)展設(shè)計(jì)育種。開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種的一般需要具備以下基本條件：(1)高密度分子遺傳圖譜和高效的分子標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)；(2)對(duì)重要基因(QTLs)的定位與功能有足夠的了解；(3)建立完善的可供分子設(shè)計(jì)育種利用的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)；(4)掌握可用于分子設(shè)計(jì)育種的種質(zhì)資源與育種中間材料，包括具有日標(biāo)性狀的重要核心種質(zhì)或骨干親本及其衍生的重組自交系(RILs)、等基因系(NILs)、加倍單倍體群體(DH)、染色體片段導(dǎo)入系/替換系(CSSLs)等；(5)開(kāi)發(fā)完善的可進(jìn)行作物分子設(shè)計(jì)育種模擬研究的統(tǒng)計(jì)分析方法及相關(guān)軟件，用于開(kāi)展作物新品種定向創(chuàng)制的模擬研究。上述5個(gè)基本要素中，對(duì)于禾本科作物，特別是水稻而言，我國(guó)已基本具備前4個(gè)條件，只要進(jìn)一步開(kāi)展第（5）方面的研究與開(kāi)發(fā)，我國(guó)即可大規(guī)模開(kāi)展水稻分子設(shè)計(jì)育種。3控制復(fù)雜性狀的多基因轉(zhuǎn)化技術(shù)作物育種日標(biāo)包括高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、適宜熟期等方面，而每個(gè)方面又包括諸多性狀，其中大多數(shù)性狀是由多基因控制的。從上世紀(jì)80年代轉(zhuǎn)基因技術(shù)在作物育種中取得突破以來(lái)，轉(zhuǎn)基因育種取得了重大進(jìn)展。最初轉(zhuǎn)入基因只有一個(gè)，主要針對(duì)抗蟲(chóng)性、抗除草劑、抗病性等性狀。這些單基因轉(zhuǎn)化作物在生產(chǎn)上使用后不久就發(fā)現(xiàn)高選擇壓導(dǎo)致部分抗性的喪失和變異。為增強(qiáng)作物抗蟲(chóng)性、拓寬抗蟲(chóng)譜和延長(zhǎng)抗蟲(chóng)時(shí)限，人們開(kāi)始嘗試向作物轉(zhuǎn)入多價(jià)抗蟲(chóng)基因，如已獲得轉(zhuǎn)Bt+CpTI雙價(jià)基因棉花并投入商業(yè)化生產(chǎn)。隨著轉(zhuǎn)基因育種改良日標(biāo)以及改良性狀性質(zhì)的變化.轉(zhuǎn)移更多的外源基因成為一種必然。由于現(xiàn)有技術(shù)條件的限制，轉(zhuǎn)化三個(gè)及以上基因還存在一定的技術(shù)難度。因此，多基因轉(zhuǎn)化技術(shù)成為當(dāng)今轉(zhuǎn)基因研究的熱點(diǎn)和迫切需要解決的問(wèn)題。日前采用的主要策略有如下幾種：（1）重復(fù)轉(zhuǎn)化法：又稱(chēng)連續(xù)轉(zhuǎn)化法或再次轉(zhuǎn)化法，是通過(guò)多次轉(zhuǎn)化過(guò)程，依次將日標(biāo)基因?qū)氲酵簧矬w中的方式。盡管這種方法在理論上是可行的，但由于耗時(shí)費(fèi)力，篩選困難，加上不同基因間易發(fā)生分離或誘發(fā)沉默，多次轉(zhuǎn)化和長(zhǎng)時(shí)間的組織培養(yǎng)還易引起變異，同時(shí)每次轉(zhuǎn)化均需使用不同的篩選標(biāo)記，因而在實(shí)踐中操作難度較大。（2）雜交聚合法和回交轉(zhuǎn)育法：雜交聚合法是將幾個(gè)親本事先分別轉(zhuǎn)入不同的外源基因，再通過(guò)有性雜交將這些轉(zhuǎn)化材料中的外源基因聚合在一起，通過(guò)個(gè)體篩選獲得多個(gè)含有外源日標(biāo)基因表達(dá)性狀后代的方法。這種方法簡(jiǎn)單易行，適用于已有轉(zhuǎn)基因材料，而且需要聚合的外源基因數(shù)日不多（如2個(gè)），是日前育種家通常采用的方法。但是，對(duì)于3個(gè)以上基因的聚合，則所需經(jīng)歷的世代較多。費(fèi)時(shí)費(fèi)工，基因的分離還會(huì)導(dǎo)致聚合效果不一定理想。同時(shí)，對(duì)于依賴(lài)于營(yíng)養(yǎng)繁殖、具有雜合背景的植物（如馬鈴薯、果樹(shù)以及許多觀賞植物），或生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)的植物（如多年生的樹(shù)木）。將難以通過(guò)這一方法達(dá)到聚合日標(biāo)基因的日的。對(duì)于那些已經(jīng)獲得日的基因的轉(zhuǎn)基因材料，通過(guò)回交將其中的日標(biāo)基因轉(zhuǎn)育到含有其它外源基兇的栽培種或者近緣品種中，是獲得具有轉(zhuǎn)基因日標(biāo)性狀新品種的一種簡(jiǎn)便途徑。這種方法特別適合于那些轉(zhuǎn)基因操作困難，但又已經(jīng)具備其它有用性狀的品種。（3）非載體DNA轉(zhuǎn)移途徑導(dǎo)入外源整體DNA:主要指花粉管導(dǎo)入、用含有外源基因的溶液浸泡種聳或花莖、孕穗莖注射等非載體DNA轉(zhuǎn)移技術(shù)。這類(lèi)方法操作簡(jiǎn)單，但是導(dǎo)入的外源DNA片段大小難于控制，產(chǎn)生的變異廣泛，外源基因在直接轉(zhuǎn)入受體的同時(shí)還可能引發(fā)復(fù)雜的遺傳變化，因此其轉(zhuǎn)化的效率和精確性仍有待進(jìn)一步提高。（4）多載體的共轉(zhuǎn)化法：共轉(zhuǎn)化法是將位于不同載體上的多個(gè)基因同時(shí)導(dǎo)人受體基因組中。該方法由于簡(jiǎn)單易行已經(jīng)成為當(dāng)前多基因轉(zhuǎn)化的首選方法。但是共轉(zhuǎn)化的共整合頻率不穩(wěn)定，隨著不同轉(zhuǎn)化事件、轉(zhuǎn)化技術(shù)，不同的受體，不同的表達(dá)載體結(jié)構(gòu)、大小和數(shù)量而變化。（5）多基因單載體一次性轉(zhuǎn)化法：多個(gè)基因如能構(gòu)建在同一載體上一次性實(shí)施轉(zhuǎn)化，可有效避免上述多基因轉(zhuǎn)化方法存在的種種問(wèn)題.因此，多基因表達(dá)載體的構(gòu)建已經(jīng)成為多基因轉(zhuǎn)化策略的關(guān)鍵性技術(shù)之一。但日前在多基因載體的構(gòu)建和組裝方面還面臨著一系列的技術(shù)難題，如大容量載體系統(tǒng)的構(gòu)建、合適酶切位點(diǎn)的選擇、大片段DNA分子的定點(diǎn)切割與連接。（6）利用同源重組將多個(gè)基因同時(shí)導(dǎo)入質(zhì)體中，即質(zhì)體轉(zhuǎn)化法：葉綠體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，獨(dú)立于傳統(tǒng)的核轉(zhuǎn)化，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：超量表達(dá)日的基因；以定點(diǎn)整合方式導(dǎo)人外源基因從而消除了位置效應(yīng)及基因沉默：具原核表達(dá)方式。能以多順?lè)醋拥男问奖磉_(dá)多個(gè)基因；母系遺傳方式可防止基因擴(kuò)散；基因產(chǎn)物區(qū)域化并能提供適于某些產(chǎn)物發(fā)揮功能的小環(huán)境等。盡管日前在技術(shù)上還不成熟，但這一方法已顯示巨大的的發(fā)展空間。通過(guò)發(fā)展合適的葉綠體轉(zhuǎn)化載體和轉(zhuǎn)化方法，可望為高等植物的多基因轉(zhuǎn)化開(kāi)辟一條新的途徑。盡管多基因轉(zhuǎn)化技術(shù)日前還存在不少問(wèn)題和障礙，還有許多科學(xué)問(wèn)題和生態(tài)、安全方面的問(wèn)題有待進(jìn)一步探究，但該方向的研究將成為理論與應(yīng)用研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)領(lǐng)域.該技術(shù)將成為推動(dòng)作物育種快速向前發(fā)展的一個(gè)支撐點(diǎn)。4作物虛擬育種方法提高親本選配的針對(duì)性，增強(qiáng)對(duì)后代（群體）表現(xiàn)的預(yù)測(cè)性一直是困擾作物育種工作者的兩大難題。在實(shí)際育種工作開(kāi)展之前.對(duì)育種過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬（虛擬育種），對(duì)親本材料及其后代表現(xiàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，將提高育種的可靠性和可預(yù)見(jiàn)性。所謂虛擬育種，就是采用合適的算法，采用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言把育種過(guò)程描述出來(lái)，對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在模擬過(guò)程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)孟德?tīng)栠z傳規(guī)律配置雜交組合并產(chǎn)生育種后代材料、根據(jù)所定義的遺傳模型產(chǎn)生育種后代的表現(xiàn)型、根據(jù)育種策略中的選擇方法對(duì)后代材料進(jìn)行選擇，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜育種過(guò)程的模擬。QuLine是由CIMMYT研制的一款育種模擬工具，［20］可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作物育種全過(guò)程的模擬，可用于育種方法的比較、利用已知基因信息進(jìn)行親本選配、制定設(shè)計(jì)育種方案等方面?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著分子標(biāo)記、重要性狀基因克隆、基因組等方面研究的不斷深入，以及計(jì)算模擬技術(shù)的不斷完善，模擬育種將在育種實(shí)踐中起到越來(lái)越大的作用。5全基因組重測(cè)序技術(shù)基因組重測(cè)序是對(duì)已知作物物種不同個(gè)體或特定群體的基因組進(jìn)行再測(cè)序。這里所謂的已知物種，是指該物種至少一個(gè)個(gè)體基因組已被測(cè)序，其高質(zhì)量的基因組序列已可供使用?；蚪M的重測(cè)序可以輔助研究者發(fā)現(xiàn)單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)(SNPs)、拷貝數(shù)變異(copynumbervariation)、插入缺失(indel)等變異類(lèi)型。目前通過(guò)高通量測(cè)序，可以使我們能夠更深入地了解到日前作物群體的分子遺傳學(xué)特征，為育種服務(wù)。日前基因組重測(cè)序已在家蠶、雞和玉米三個(gè)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)動(dòng)植物應(yīng)用。家蠶是第一個(gè)被基因組重測(cè)序的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)動(dòng)物，對(duì)40個(gè)家養(yǎng)和野生蠶種基因組3X覆蓋度的重測(cè)序，發(fā)現(xiàn)160000多個(gè)SNP，311608個(gè)短的indel變異和35093個(gè)其他結(jié)構(gòu)變異(structuralvariation)；1041個(gè)檢測(cè)到馴化選擇信號(hào)的基因組區(qū)段（所謂“genomicregionsofselectivesignals"或GROSS）,354個(gè)可能受到馴化選擇影響的重要馴化基因。在玉米上，對(duì)27個(gè)玉米自交系部分基因組區(qū)段（大約93Mb，或32%的基因組功能覆蓋度）的重測(cè)序，發(fā)現(xiàn)幾百個(gè)人工選擇和高遺傳多態(tài)性位點(diǎn)。同時(shí)，玉米更大規(guī)模的基因組重測(cè)序計(jì)劃（包括1000個(gè)玉米自交系、地方品種和野生近緣種等），水稻、大豆等作物基因組重測(cè)序工作也已經(jīng)完成或正在進(jìn)行中?？梢灶A(yù)計(jì)，在未來(lái)5-10年內(nèi)，主要作物基因組及其重測(cè)序工作將完成，各個(gè)作物主要品種及其野生種的基因組序列將完全獲得。這些數(shù)據(jù)將是作物遺傳育種最為珍貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也是革命性的數(shù)據(jù)，將對(duì)作物種質(zhì)資源利用保護(hù)、育種等產(chǎn)生巨大影響?；蚪M重測(cè)序技術(shù)具體在基因資源挖掘方面的應(yīng)用可以大致歸納在以下幾個(gè)方面：（1）自然變異（naturalvarition）的發(fā)現(xiàn)：作物地方品種等包含大量的自然突變，這些遺傳突變往往是作物抗性、品種等改良必不可少的遺傳供體。通過(guò)基因組重測(cè)序，可以獲得這些遺傳資源的所有的序列變異類(lèi)型，為這些變異的功能鑒定和利用提供了可能。以前的資源調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)大量的重要種質(zhì)資源，但由于轉(zhuǎn)育等環(huán)節(jié)的限制，這些優(yōu)良基因往往跟其他不利基因緊密連鎖而無(wú)法利用：（2）野生基因資源的挖掘：由于馴化過(guò)程導(dǎo)致遺傳多態(tài)性的劇烈降低，大量野生種基因在作物基因組丟失或去功能，現(xiàn)代作物遺傳改良過(guò)程因此必須依賴(lài)野生種質(zhì)資源。如上所述，野生基因資源的利用同樣存在利用困難的問(wèn)題。通過(guò)基因組重測(cè)序（當(dāng)然還必須進(jìn)行野生種的高通量測(cè)序和基因組的從頭拼接），可以發(fā)現(xiàn)野生種與栽培品種基因的遺傳變異，更重要的是可以發(fā)現(xiàn)一些野生種特有的基因資源，這些基因很有可能為我們提供全新的抗性、品種等農(nóng)藝表型；（3）種質(zhì)資源親緣關(guān)系和演化過(guò)程分析：基因組重測(cè)序數(shù)據(jù)將為我們提供前所未有的基因組尺度的數(shù)據(jù)來(lái)判斷我們育種材料的親緣關(guān)系和演化過(guò)程，我們甚至可以追蹤和判斷每個(gè)遺傳材料基因組上各個(gè)基因組區(qū)段或功能基因的遺傳供體或來(lái)源，這樣為我們進(jìn)行雜交組配和雜交優(yōu)勢(shì)利用等育種過(guò)程提供科學(xué)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)隨著人口增加和人民生活水平的提高，我國(guó)糧食需求呈剛性增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。據(jù)測(cè)算，我國(guó)要保障2020年14.5億人口的糧食安全，需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增長(zhǎng)稻谷10%、玉米50%、小麥28%、大豆120%。然而，我國(guó)農(nóng)業(yè)資源匱乏，人均耕地面積不足世界人均水平的1/3,人均水資源占有量?jī)H為世界平均水平的1/4;同時(shí)，我國(guó)自然災(zāi)害頻發(fā)，全球氣候變化使其更加嚴(yán)重，例如常年農(nóng)作物受旱面積約1500萬(wàn)公頃以上，每年損失糧食近158億千克，占各種自然災(zāi)害損失總量的60%。此外，農(nóng)藥、化肥年用量分別達(dá)120萬(wàn)噸和4000萬(wàn)噸，分別是美國(guó)的4倍和2倍（而我國(guó)耕地面積不到美國(guó)的2/3），利用率僅為30%和35%，大量施用化肥和農(nóng)藥造成了水系和耕地環(huán)境污染，制約了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，在保障現(xiàn)有耕地面積的前提下，只有依靠大幅度提高作物單產(chǎn)，才能確保我國(guó)糧食的安全供給。據(jù)分析，在我國(guó)，品種對(duì)總產(chǎn)提高的貢獻(xiàn)為40%左右，而發(fā)達(dá)國(guó)家達(dá)到50%以上，因此，培育突破性的作物新品種是滿(mǎn)足農(nóng)產(chǎn)品剛性需求的重要途徑。由于傳統(tǒng)育種工作依賴(lài)于育種家的經(jīng)驗(yàn)和機(jī)遇，往往存在很大的盲目性和不可預(yù)測(cè)性，而分子育種能顯著提高育種效率，為保障我國(guó)糧食安全、生態(tài)安全提供更強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。摘參考文獻(xiàn)JauharPP.Modernbiotechnologyasanintegralsupplementto1430作物學(xué)報(bào)第36卷conventionalplantbreeding:theprospectsandchallenges.CropSci,2006,46:18411859StuberCW,PolaccoM,SeniorML.Synergyofempiricalbreeding,marker-assistedselection,andgenomicstoincreasecropyieldpotential.CropSci,1999,39:15711583MooseSP,MummRH.Molecularplantbreedingasthefoundationfor21stcenturycropimprovement.PlantPhysiol,2008,147:969977RibautJM,deVicenteMC,DelannayX.Molecularbreedingindevelopingcountries:challengesandperspectives.CurrOpinPlantBiol,2010,13:213218WanJ-M萬(wàn)建民).Presentstatusandprospectofmolecularbreedinginrice.RevChinaAgricSciTech(中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào))，2007,9(2):19(inChinesewithEnglishabstract)XuY,CrouchJH.Marker-assistedselectioninplantbreeding:frompublicationstopractice.CropSci,2008,48:391407WangJ,ChapmanSC,BonnettDG,RebetzkeGJ.Simultaneousselectionofmajorandminorgenes:useofQTLtoincreaseselectionefficiencyofcoleoptilelengthofwheat(TriticumaestivumL.).TheorApplGenet,2009,119:6574BernardoR.Molecularmarkerandselectionforcomplextraitsinplants:learningfromthelast20years.CropSci,2008,48:16491664CollardBCY,MackillDJ.Marker-assistedselection:anapproachforprecisionplantbreedinginthetwenty-firstcentury.PhilTransRSocB,2008,363:557572TanksleySD,NelsonJC.AdvancedbackcrossQTLanalysis:amethodforthesimultaneousdiscoveryandtransferofvaluableQTLsfromunadaptedgermplasmintoelitebree