[農(nóng)民日報]揭開高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基因密碼
我國玉米單位面積產(chǎn)量已由1949年的1.06噸/公頃增加到2012年的5.94噸/公頃,提高了4.6倍,但美國等發(fā)達國家玉米的平均產(chǎn)量近年來已達10噸/公頃。我國玉米的平均產(chǎn)量僅為美國的60%,充分說明我國玉米單產(chǎn)還有巨大的提高潛力和空間。
過去的實踐證明,我國玉米單產(chǎn)和總產(chǎn)的增加很大程度上依賴于玉米育種水平的不斷提高,今天要提高玉米單產(chǎn)仍然要依靠育種科技的發(fā)展。其中,全基因組選擇育種技術(shù)的廣泛應(yīng)用將有力地推動玉米產(chǎn)量和品質(zhì)等復(fù)雜性狀的遺傳改良,為玉米高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)育種提供新的策略、技術(shù)和方法,實現(xiàn)玉米高產(chǎn)種質(zhì)創(chuàng)新和育種效率的突破,為解決我國的糧食安全問題做出巨大貢獻。
本報記者 李竟涵
作為我國產(chǎn)量第一大的糧食作物,玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的提高是保障我國糧食安全的重大需求。根據(jù)國家規(guī)劃,到2020年我國需要新增糧食生產(chǎn)能力500億公斤,玉米將承擔(dān)至少300億公斤的份額。玉米適應(yīng)性廣,耐粗放管理,生產(chǎn)效率高,尤其在我國水資源短缺和干旱問題不斷加重的情況下,將發(fā)揮獨特的糧食安全保障作用。
那么,玉米品種的產(chǎn)量高低和品質(zhì)性狀究竟是由什么決定的?對玉米基因組的研究也許能提供答案。日前,由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所牽頭的973項目“玉米產(chǎn)量和品質(zhì)性狀全基因組選擇育種的基礎(chǔ)研究”啟動會在京召開。此項目的實施將有望揭開玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)背后的基因密碼,實現(xiàn)玉米種質(zhì)創(chuàng)新和育種效率的突破。
日前,記者采訪了該項目首席科學(xué)家王國英,就玉米的常規(guī)育種和分子育種、全基因組選擇育種進行了解讀。
王國英告訴記者,玉米分子育種技術(shù)能推動傳統(tǒng)的“經(jīng)驗育種”向高效的“精確育種”轉(zhuǎn)變,縮短育種周期,提高育種效率。
傳統(tǒng)的育種方式,得由育種專家人工從田間作物里選出一對一對親本來進行“雜交”和“自交”,等到植株長大后,再根據(jù)肉眼辨別、稱重等方式識別其特性。培育新品種很大程度上取決于育種家的實踐經(jīng)驗,育種周期長、偶然性大、效率低,不能滿足當前玉米生產(chǎn)對優(yōu)良新品種的需求。
采用分子育種技術(shù),就可以在雜交前查清親本的基因,根據(jù)基因型選擇優(yōu)良親本。通過分子標記,對后代植株的主要農(nóng)藝性狀,如產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性等進行預(yù)先選擇。這種選擇方法利用實驗室鑒定的數(shù)據(jù),一目了然,而不僅僅是依靠經(jīng)驗來判斷了。
“玉米產(chǎn)量和品質(zhì)性狀全基因組選擇育種的基礎(chǔ)研究”項目的基礎(chǔ)就是玉米分子育種技術(shù)。王國英說,基因資源是自然界賦予人類的寶貴財富,已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。這一項目能實現(xiàn)從種質(zhì)資源到基因資源的貫穿,利用玉米高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源,通過全基因組分析,挖掘、鑒定控制產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的新基因,對優(yōu)良基因進行功能標記,為玉米產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的分子育種奠定扎實的基礎(chǔ)。
百里挑一vs千里挑一
近些年來,如何保護和利用現(xiàn)有種質(zhì)資源越來越受到各國重視,從現(xiàn)有種質(zhì)資源中發(fā)掘和利用高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)性狀基因已成為科學(xué)界矚目的焦點之一。據(jù)王國英介紹,我國目前保存的玉米種質(zhì)資源有1.8萬余份。在這些寶貴資源中,蘊藏著豐富的高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)基因。如何從紛繁復(fù)雜的遺傳背景中發(fā)掘出新的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)性狀基因,目前仍然是玉米遺傳育種研究中的一個巨大挑戰(zhàn)。
與傳統(tǒng)育種方式相比,玉米分子育種能大大提高對種質(zhì)資源的利用效率。傳統(tǒng)育種中一般育種群體有100~200個后代個體,從中選擇出優(yōu)良單株,而現(xiàn)在分子育種的應(yīng)用可以對2000個甚至更多的個體進行預(yù)先選擇,保留更為優(yōu)良的材料用于后續(xù)田間鑒定和篩選。
也就是說,通過分子標記選擇,不僅擴大了種質(zhì)資源利用范圍,“百里挑一”變成了“千里挑一”,而且多了一個預(yù)選環(huán)節(jié),淘汰大部分預(yù)期表現(xiàn)差的材料,剩下少量預(yù)期表現(xiàn)優(yōu)良的材料,進入育種過程,提高后續(xù)育種效率。
據(jù)王國英介紹,早期的玉米分子育種技術(shù)主要是通過玉米的葉片檢測分子標記,現(xiàn)在則能夠直接通過玉米種子檢測分子標記,把預(yù)期表現(xiàn)優(yōu)良的種子種在田間進行鑒定。作物遺傳理論研究和玉米遺傳育種的實踐均已證明,綜合應(yīng)用正向和反向遺傳學(xué)、分子標記等功能基因組學(xué)研究手段,完全可以鑒定出控制玉米產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的關(guān)鍵基因,明確其功能,為實現(xiàn)玉米全基因組選擇育種奠定堅實的基礎(chǔ)。
王國英說:“從長遠來看,全基因組選擇育種的應(yīng)用將對作物育種產(chǎn)生革命性的影響,它必將成為國際上引領(lǐng)作物遺傳改良進步的最先進的技術(shù)。一旦建立了完善的全基因組選擇育種的理論與技術(shù)體系,就可以很快將功能基因組學(xué)的研究成果用于作物品種改良,創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟和社會效益。”
王國英告訴記者,現(xiàn)代遺傳學(xué)、育種學(xué)和生物技術(shù)的綜合應(yīng)用為玉米新品種培育奠定了堅實的理論基礎(chǔ),加快了玉米育種進程。但目前的玉米分子育種研究主要針對少數(shù)質(zhì)量性狀基因位點,對玉米產(chǎn)量和品質(zhì)等多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀尚無有效的分子育種體系。
近年來,特別是自2009年全基因組序列公布以來,玉米基因組研究取得了顯著進展。國外科研機構(gòu)也正在積極開展玉米全基因組選擇育種的理論研究和實踐嘗試,一些大型國際種業(yè)公司更是捷足先登,投入巨資建立全基因組選擇育種的理論與技術(shù)體系。
然而在我國,由于缺乏系統(tǒng)深入的研究,致使我國玉米產(chǎn)量、品質(zhì)等重要性狀的分子設(shè)計育種仍舉步維艱,長期處于徘徊甚至停滯階段,與美國等發(fā)達國家在該領(lǐng)域的差距愈來愈大。因此,系統(tǒng)解析玉米產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的遺傳基礎(chǔ),進而建立玉米全基因組選擇育種體系是提高我國玉米育種水平、培育突破性品種的迫切需要。
為此,“玉米產(chǎn)量和品質(zhì)性狀全基因組選擇育種的基礎(chǔ)研究”項目將在全基因組水平上系統(tǒng)解析玉米產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的遺傳基礎(chǔ),并揭示影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)形成過程中的基因互作和調(diào)控網(wǎng)絡(luò),建立全基因組選擇育種模型,為玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種提供新的策略、技術(shù)和方法。王國英說:“這在玉米分子育種研究中,將是一個質(zhì)的飛躍。”
本文科研資料感謝付俊杰衛(wèi)斐
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