面向未來的新一代生物育種技術(shù)
——分子模塊設(shè)計育種*

文/薛勇彪 段子淵 種 康 姚 遠

1中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所北京100101

2中國科學院農(nóng)業(yè)項目辦公室北京100864

3中國科學院植物研究所北京100093

面向未來的新一代生物育種技術(shù)
——分子模塊設(shè)計育種*

文/薛勇彪1段子淵2種 康3姚 遠2

1中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所北京100101

2中國科學院農(nóng)業(yè)項目辦公室北京100864

3中國科學院植物研究所北京100093

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，主要農(nóng)產(chǎn)品的持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)對保障我國糧食安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。種子是糧食生產(chǎn)的源頭。隨著生命科學的迅猛發(fā)展，生物育種已成為發(fā)展現(xiàn)代種業(yè)的必然選擇。文章概述了我國育種技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了針對農(nóng)業(yè)生物復雜性狀改良的“分子模塊育種”概念，“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”的成功構(gòu)建將引領(lǐng)未來生物育種技術(shù)的發(fā)展方向。

生物育種，分子模塊，先導專項

DOI 10.3969/j.issn.1000-3045.2013.03.003

1 生物育種是保障國家糧食安全的戰(zhàn)略選擇

1.1 我國未來糧食安全面臨重大挑戰(zhàn)

習近平總書記指出：“我國有13億人口，只有把飯碗牢牢端在自己手中才能保持社會大局穩(wěn)定”。目前我國尚有3 000萬人口沒有完全解決溫飽問題，人均耕地只占世界平均水平的43%，人口的不斷增長和人民生活質(zhì)量的不斷提高、可用耕地和水資源的日益緊缺、生物及自然災害的頻繁發(fā)生、生態(tài)環(huán)境壓力的持續(xù)加大以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力數(shù)量的急劇下降等國情都時時警醒我們,確保糧食安全是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的重大現(xiàn)實和戰(zhàn)略需求。預計到2030年，我國人口將達到16.5億，糧食缺口1.4億噸，水產(chǎn)品缺口近3 000萬噸，肉類缺口7 900萬噸，奶類缺口500萬噸。由此推測，要想滿足國人吃飽吃好的小康需求，我國糧食單產(chǎn)需從目前每畝344公斤提高到430公斤，增加25%；肉類需求從目前的7 925萬噸增加到1.44億噸，增加82%；奶類需求從目前的3 750萬噸增加到4 250萬噸，增加13%；水產(chǎn)品需從目前的5 300萬噸增加到8 000萬噸，增加51%。由此可見，我國農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)形勢極為嚴峻，進一步提高我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和挖掘持續(xù)增產(chǎn)潛力的任務十分緊迫。

1.2 優(yōu)良品種是確保農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)的重要基礎(chǔ)

“一粒種子改變一個世界”，種子是農(nóng)業(yè)之母，是農(nóng)業(yè)科學的芯片，是糧食生產(chǎn)的源頭[1]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）研究表明：國際糧食總產(chǎn)增長的80%依賴于單產(chǎn)水平提高，單產(chǎn)提高的60%—80%來源于良種的貢獻。幾十年來，育種家們通過常規(guī)雜交選擇培育了一大批優(yōu)良品種，在糧食產(chǎn)量的穩(wěn)定提升中發(fā)揮了重要作用。20世紀60年代，小麥和水稻相繼成功應用了半矮稈基因，使兩種作物的單產(chǎn)水平提高了20%—30%，在農(nóng)作物育種史上被稱為第一次“綠色革命”。20世紀70年代雜交水稻三系配套成功并大范圍推廣，使得水稻單產(chǎn)又提高了20%—30%。矮稈育種的推廣和雜交水稻技術(shù)的應用,使我國糧食產(chǎn)量從20世紀60年代中期到90年代中期連續(xù)30多年穩(wěn)步增長。

傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)的快速發(fā)展帶動了我國種業(yè)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的提高。中國種業(yè)知識產(chǎn)權(quán)聯(lián)盟的調(diào)查表明[2]，近年來我國品種選育推廣速度穩(wěn)步提升，2001—2010年，通過國家審定的主要農(nóng)作物品種達1 342個，新品種更新更換了5—6次，良種覆蓋率達95%以上。良種對糧食增產(chǎn)的貢獻率達40%。種業(yè)整體實力持續(xù)提升，種子市場規(guī)模增長迅速，成為僅次于美國的全球第二大種業(yè)市場。特別是《植物新品種保護條例》的頒布，調(diào)動了全社會育種創(chuàng)新的積極性，加速了新品種的培育，在保障糧食安全、帶動農(nóng)業(yè)發(fā)展和促進農(nóng)民增收等方面發(fā)揮著重要的作用。

1.3 生物育種是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇

傳統(tǒng)育種方法是建立在有性雜交的基礎(chǔ)之上，通過遺傳重組和表型選擇進行品種培育的過程。多年來，人們通過廣泛雜交選擇，育成了大批高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種，為農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和國家糧食安全做出了重要貢獻。但隨著重要基因資源的逐步挖掘，傳統(tǒng)育種的瓶頸效應日益顯現(xiàn)，新品種選育的困難越來越多。首先，由于種間生殖隔離的限制，很難利用近緣或遠緣種的基因資源對特定的農(nóng)業(yè)生物進行遺傳改良；第二，傳統(tǒng)育種易受不良基因連鎖的影響；第三，進行優(yōu)良基因疊加一般需要依據(jù)表型或生物測定來判斷，檢出效率易受環(huán)境因素的影響；第四，育種效率較低，周期長，一般需要10年以上。由于上述原因，利用雜交育種技術(shù)已經(jīng)很難育成突破性新品種。近10多年來，我國主要農(nóng)產(chǎn)品單產(chǎn)一直徘徊不前，傳統(tǒng)的育種技術(shù)已難以承載未來糧食安全面臨的巨大挑戰(zhàn)，迫切需要新型育種技術(shù)的發(fā)展。

在農(nóng)業(yè)生物遺傳改良實踐中，生命科學的發(fā)展催生了生物育種技術(shù)的興起和革新，分子育種技術(shù)通過利用控制目標性狀的功能基因和調(diào)控元件，使動植物育種可利用的資源由過去種間、亞種間、屬間擴展到整個生物界。復合分子標記輔助育種作為一項新興的育種技術(shù)，可以有效提高目標性狀改良的效率和準確性，在農(nóng)業(yè)生物育種中逐步得到廣泛應用，實現(xiàn)了由表型選擇到基因型選擇的過渡。由于選育周期的縮短，新品種培育進程大大加快。轉(zhuǎn)基因技術(shù)同樣是一種新型生物育種技術(shù)，它是通過將人工分離和修飾過的基因?qū)肷矬w基因組中,借助導入基因的表達,引起生物體性狀發(fā)生可遺傳的改變。近年來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的快速發(fā)展加速了農(nóng)作物品種的更新?lián)Q代及種植業(yè)結(jié)構(gòu)的變革,正推動著新興生物經(jīng)濟的形成。然而，目前轉(zhuǎn)基因作物的改良多限于以大豆、油菜、玉米等作物為主的單一性狀（如抗蟲及抗除草劑等）的改良，對于以水稻、小麥等主要糧食作物的產(chǎn)量、抗病及耐逆等復雜性狀的改良還有很多亟待解決的問題。總之，保障糧食安全的關(guān)鍵在于育種技術(shù)的進步。生物育種技術(shù)的不斷創(chuàng)新，將為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來新的契機。

1.4 生物育種產(chǎn)業(yè)將成為國際農(nóng)業(yè)科技與經(jīng)濟競爭的焦點

生物技術(shù)已成為新的科技革命的主體之一，生物產(chǎn)業(yè)正推動生物經(jīng)濟的形成。當前農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的飛速發(fā)展正醞釀著農(nóng)業(yè)育種史上新一次“綠色革命”。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是現(xiàn)有生物育種技術(shù)中發(fā)展最快、效率最高的針對作物單一性狀進行改良的技術(shù)。2011年全世界有29個國家種植轉(zhuǎn)基因作物，全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積已超過1.6億公頃,比1996年增加94倍,16年累積種植面積為12.5億公頃。轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應用也帶動著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2011年全球轉(zhuǎn)基因作物種子銷售額約130億美元,而轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化最終產(chǎn)品年產(chǎn)值為1 600億美元。與此同時，轉(zhuǎn)基因作物的推廣應用在減少農(nóng)藥施用、降低病蟲害損失、改善環(huán)境、減少勞動力投入上取得了巨大的經(jīng)濟效益[3]。

近年來，農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的研發(fā)在發(fā)達國家已經(jīng)進入高速發(fā)展時期，投資強度越來越大，到目前為止發(fā)達國家在該領(lǐng)域總投資已超過2 000億美元。美國、瑞士、日本等國以及先鋒、孟山都、先正達等大型國際種業(yè)公司紛紛投巨資，開展水稻、小麥、玉米以及豬、牛羊等農(nóng)業(yè)生物的基因組研究，重點挖掘新基因和研發(fā)育種新技術(shù)，“一個基因就是一個產(chǎn)業(yè)，一項技術(shù)就是一項產(chǎn)業(yè)”，這些生物育種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將在未來的農(nóng)業(yè)生物改良中獲取巨大的經(jīng)濟效益。一些發(fā)展中國家更是抓住生物技術(shù)發(fā)展的良好機遇，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)生物育種，將其視為趕超世界科技前沿難得的突破口。

2 我國農(nóng)業(yè)科學與生物育種技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 植物基因組學研究處于國際領(lǐng)先行列

我國是世界上較早啟動植物基因組學研究的國家之一。1998年作為主要發(fā)起國之一，參與了國際水稻基因組測序計劃；2004年完成了粳稻（日本晴）第四號染色體精準測序，并開展了一系列比較基因組研究；2000年啟動了超級雜交稻基因組計劃；2002年首次完成了超級雜交稻親本秈稻品種93-11的全基因組草圖；2005年完成了其精準測序，開展了雜交稻親本秈稻品種93-11和培矮64的轉(zhuǎn)錄組學研究；2009年從轉(zhuǎn)錄水平上闡明了雜種優(yōu)勢的分子調(diào)控機理；2013年3月，中科院和中國農(nóng)科院科學家已分別完成了小麥A、D基因組的全基因組測序工作。此外，還先后完成了棉花、大豆、玉米、黃瓜等農(nóng)作物的全基因組測序。

與此同時，基因組研究新技術(shù)的開發(fā)與應用取得了顯著進展。開發(fā)了基于高通量基因組測序的基因型鑒定方法，該方法比目前廣泛應用的分子標記分辨率提高35倍；成功開展了水稻重要農(nóng)藝性狀的基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）[4]；利用RNASeq技術(shù)成功進行了水稻全基因組的轉(zhuǎn)錄組分析；克隆了大量秈稻和野生稻的全長cDNA并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。

2.2 植物功能基因組研究具有世界先進水平

以水稻功能基因組研究為例，已建成包括水稻大型突變體庫、全長cDNA文庫、全基因組表達譜芯片等大型功能基因組研究平臺。蛋白質(zhì)組、代謝組、表型組等系列“組學”平臺建設(shè)也日趨完善。以水稻功能基因組研究平臺為依托，分離克隆了一大批控制水稻高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆和營養(yǎng)高效等重要農(nóng)藝性狀基因，如控制水稻產(chǎn)量的GS3、Ghd7、GW2和GW8基因，穗形態(tài)基因DEP1[5]、DEP2，籽粒灌漿充實度基因GIF1、PHD1，水稻株型基因MOC1[6]、IPA1[7]、LAZY1、TAC1和PROG1，抽穗期基因RID1，莖稈強度基因FC1，廣親和基因S5和Sa，白葉枯病抗性基因Xa3/Xa26、xa13，褐飛虱抗性基因Bph14，抗鹽的主效QTL基因SKC1，抗旱關(guān)鍵基因SDIR1、SNAC1和OsSKIPa，磷營養(yǎng)高效基因OsPFT1、OsPHR2等。

據(jù)不完全統(tǒng)計，2008—2010年間在國際核心期刊發(fā)表的79篇高水平水稻相關(guān)論文中，有29篇是由中國科學家自主完成的。多篇論文以雜志封面文章發(fā)表，充分體現(xiàn)了我國植物功能基因組學和分子生物學研究已躍居世界前沿，并呈現(xiàn)迅猛發(fā)展態(tài)勢。

2.3 魚類基因組研究取得重要進展

從2010年開始，相繼開展了主要養(yǎng)殖魚類（如鯉、草魚等）的全基因組測序工作。草魚已完成一尾雌核發(fā)育個體和一尾雄性個體的Solexa測序和contig組裝，正在進行基因和重復序列的預測和注釋以及基于高密度遺傳連鎖圖的染色體組裝；已鑒定出數(shù)千個草魚SSR和SNP標記，構(gòu)建完成草魚高密度遺傳連鎖圖譜；開展了生長、營養(yǎng)和抗病性狀的QTL定位分析，獲得9個與生長速度、餌料轉(zhuǎn)化效率和草魚出血病抗性相關(guān)QTL，發(fā)掘多個草魚出血病抗性相關(guān)基因。與此同時，開發(fā)出基于基因組和轉(zhuǎn)錄組高通量測序資料的SNP分析軟件，為精細QTL定位和規(guī)模化轉(zhuǎn)錄組基因型分析提供重要技術(shù)手段。

2.4 生物育種技術(shù)在育種實踐中得到應用

隨著全球現(xiàn)代生物育種技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來我國生物育種技術(shù)的研發(fā)和應用也取得了重要進展。由于各級政府的重視和國家投入的增加，越來越多的研究力量投入到生物育種行列中來，一大批舉世矚目的科研成果不斷涌現(xiàn)，推動了我國現(xiàn)代生物育種的理論形成和技術(shù)創(chuàng)新，并不斷向新的深度和廣度拓展。

目前，細胞與染色體工程技術(shù)開始廣泛在小麥、水稻等作物新品種培育中應用，已培育出多個以小偃系列小麥和中花系列水稻等為代表的新品種。定位了大量與主要農(nóng)作物重要性狀基因緊密連鎖的分子標記，利用分子標記輔助和聚合育種技術(shù)選育出多個抗病水稻、小麥、棉花新品系。銀鯽遺傳育種研究在30年內(nèi)培育出3個系列的異育銀鯽新品種，每次增產(chǎn)幅度都在20%以上。

2.5 育種技術(shù)創(chuàng)新能力有待進一步加強

縱觀我國生物育種的發(fā)展現(xiàn)狀，許多領(lǐng)域亟待進一步加強，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新能力不夠。我國目前在動植物分子生物學研究方面，對于重大科學問題缺乏原始創(chuàng)新；研究方法上往往是套用國外現(xiàn)成的技術(shù)；科研部門之間比較獨立，集成創(chuàng)新的能力不夠。為了高效地實現(xiàn)對重要農(nóng)藝性狀的改良，必須加強對復雜性狀的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究，構(gòu)建并完善具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物育種體系，促進理論研究與育種實踐的緊密結(jié)合，推動我國生物育種研究扎扎實實地走上自主創(chuàng)新的發(fā)展軌道。

研究內(nèi)容重復、研究深度不夠。我國許多研究機構(gòu)均已投入大量人力物力，廣泛加入到生物育種行列中來，但是由于相關(guān)研究的基礎(chǔ)較為薄弱、科研人員力量分散，從而導致許多研究內(nèi)容表現(xiàn)為低水平重復，缺乏研究深度，有重大科學發(fā)現(xiàn)或有重要應用前景的成果非常缺乏。這種現(xiàn)狀在短期內(nèi)很難有質(zhì)的改變，這在很大程度上影響了我國生物育種技術(shù)的健康、快速發(fā)展。

生物種業(yè)發(fā)展相對滯后。種子是重要的戰(zhàn)略資源，控制了種業(yè)就控制了糧食生產(chǎn)，因此種業(yè)市場是強勢跨國集團競爭的焦點[8]。當前，跨國糧商和種業(yè)公司對我國農(nóng)產(chǎn)品和種子市場的滲透已成為不爭的事實。國內(nèi)種業(yè)正面臨著國際種業(yè)公司的強大沖擊。目前已有76家外商投資農(nóng)作物種業(yè)公司在我國登記注冊，這些外商雖然名義上只占49%的股份，但實際上卻掌握著種子公司的技術(shù)與專利等核心資源。在合資形勢下，中國種業(yè)公司正逐漸失去其自主研發(fā)能力，導致我國生物種業(yè)的發(fā)展嚴重滯后。

3 分子模塊育種將引領(lǐng)未來生物育種的發(fā)展方向

3.1 復雜性狀的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出“模塊”化特征

如上所述，目前，分子標記輔助育種和動植物轉(zhuǎn)基因育種等生物育種技術(shù)還局限于單個或2—3個少數(shù)基因的遺傳改良，而農(nóng)作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和耐逆性等重要農(nóng)藝性狀與家養(yǎng)動物繁殖力、抗病以及優(yōu)質(zhì)等重要經(jīng)濟性狀都是由多基因控制的復雜農(nóng)藝性狀，現(xiàn)有的生物育種技術(shù)還不能滿足復雜性狀分子設(shè)計育種目標的需要。研究發(fā)現(xiàn)，復雜性狀的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)常呈現(xiàn)“模塊化”的特性，通常是由主效基因及其相互作用的調(diào)控基因組合成一個功能單元，整體上負責相關(guān)功能的發(fā)揮與目標性狀的形成。因此發(fā)掘和解析控制農(nóng)業(yè)生物復雜性狀形成的調(diào)控“模塊”并將它們有效地耦合，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生物復雜性狀分子改良的基礎(chǔ)，在實踐過程中形成的新型育種技術(shù)體系最終將成為品種分子設(shè)計理論的源頭創(chuàng)新。

近年來生物技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)緊密結(jié)合，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用。很多重要成果的取得與重大技術(shù)發(fā)明均表現(xiàn)出模塊化功能的實現(xiàn)，如在小麥中導入黑麥1BL/1RS染色體置換片段，該天然育種模塊的應用已經(jīng)培育出了大量高產(chǎn)抗病新品種；水稻理想株型基因IPA1、水稻粒寬基因GW8及其miRNA156關(guān)系的闡明，為水稻產(chǎn)量的大幅度（＞10%）提升奠定了基礎(chǔ)；作物和動物抗病性的遺傳改良是基于對主效基因控制的專化抗病性（垂直抗性）和微效基因控制的非專化性抗病（水平抗性）的有效耦合；利用銀鯽雙重生殖方式培育的新品種異育銀鯽“中科3號”是一個新的核質(zhì)雜種克隆，其平均增產(chǎn)幅度為20%以上。

3.2 生命科學的發(fā)展為“模塊”育種技術(shù)創(chuàng)新提供了可能

農(nóng)業(yè)生物育種從根本上來說是一個系統(tǒng)生物學過程，是基于多學科交叉與技術(shù)集成而產(chǎn)生的，生命科學各前沿領(lǐng)域突飛猛進的發(fā)展為生物育種的技術(shù)創(chuàng)新提供了重要基礎(chǔ)：（1）隨著基因組分析技術(shù)與生物信息學的發(fā)展，通過高效、廉價的基因組測序與GWAS技術(shù)，結(jié)合核心種質(zhì)庫的選擇與多親本群體或育種高世代群體的利用，可以有效地進行復雜性狀相關(guān)的基因組區(qū)域與關(guān)聯(lián)SNP的標記。為調(diào)控復雜性狀的功能“模塊”解析在全基因組水平上提供候選基因；（2）分子生物學、動植物生物化學及遺傳學的協(xié)同發(fā)展，推動了動植物功能基因組研究的快速進步，使大規(guī)模分離和鑒定調(diào)控基因及其作用網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)分析性狀建成和調(diào)控機理成為可能，為“模塊”的解析和組裝提供了理論和技術(shù)保障；（3）現(xiàn)代農(nóng)學學科及農(nóng)業(yè)生物育種學科的發(fā)展，越來越依賴合成生物學與系統(tǒng)生物學的理念，最終將實現(xiàn)農(nóng)藝性狀在全基因組水平上的優(yōu)化與選擇，達到復雜性狀得以改良的新品種培育目標。

全基因組選擇技術(shù)就是上述多學科與技術(shù)高度整合的結(jié)果，它是以基因的遺傳、功能和表型信息為基礎(chǔ)，對目標基因/性狀、非目標基因/性狀和遺傳背景在全基因組水平上進行選擇，結(jié)合對基因功能及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認識，利用高通量育種選擇標記技術(shù)，極大地提高性狀選擇的預見性和育種效率，最終實現(xiàn)全基因組設(shè)計育種。全基因組水平的選擇與設(shè)計為解決復雜性狀改良問題提供了切實可行的技術(shù)路徑。

3.3 分子模塊設(shè)計育種將是未來生物育種的發(fā)展方向

隨著我國水稻、小麥、玉米、大豆等主要農(nóng)作物以及豬和魚類全基因組序列測定的完成，各種突變體庫的構(gòu)建以及全長cDNA、蛋白組分析、基因芯片、RNA-Seq等功能基因組研究平臺的建立，為開展復雜性狀的功能基因組及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究奠定了良好的基礎(chǔ)，也為發(fā)展以全基因組分子標記輔助選擇和常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合為基礎(chǔ)的新一代育種技術(shù)提供了新的機遇。

2008年，中科院薛勇彪、段子淵、種康等人經(jīng)過反復探討，率先提出了“分子模塊設(shè)計育種”的新型育種理念，綜合運用前沿生物學研究的最新成果，獲得控制農(nóng)業(yè)生物復雜性狀的重要基因及其等位變異，解析功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的可遺傳操作的功能單元，即分子模塊；采用計算生物學和合成生物學等手段將這些模塊有機耦合，開展理論模擬和功能預測，系統(tǒng)地發(fā)掘分子模塊互作對復雜性狀的綜合調(diào)控潛力；實現(xiàn)模塊耦合與遺傳背景及區(qū)域環(huán)境三者的有機協(xié)調(diào)統(tǒng)一，發(fā)揮分子模塊群對復雜性狀最佳的非線性疊加效應，從而有效實現(xiàn)復雜性狀的定向改良。

分子模塊設(shè)計育種是一項前瞻性、戰(zhàn)略性研究，是生命科學前沿問題與育種實踐的有機結(jié)合，是中科院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新團隊集體智慧的結(jié)晶，將推動我國農(nóng)業(yè)生物遺傳改良理論和技術(shù)體系的創(chuàng)新和跨越，引領(lǐng)我國生物育種技術(shù)躍居世界領(lǐng)先行列，對保障我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食生產(chǎn)安全有著非常重要的戰(zhàn)略意義。

圖1 分子模塊設(shè)計育種示意圖

4 中科院組織啟動“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略先導專項

按照“創(chuàng)新2020”戰(zhàn)略的總體部署，中科院農(nóng)業(yè)科技核心團隊經(jīng)過幾年的凝練和討論，形成了“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”（圖1）的實施方案，并最終作為A類戰(zhàn)略先導專項予以啟動。該專項以水稻為主，小麥、鯉等為輔，利用野生種、農(nóng)家品種和主栽（養(yǎng)）優(yōu)良品種等種質(zhì)資源，綜合運用基因組學、計算生物學、系統(tǒng)生物學、合成生物學等手段，解析高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等重要農(nóng)藝（經(jīng)濟）性狀的分子模塊，揭示分子模塊系統(tǒng)解析和耦合規(guī)律，優(yōu)化多模塊組裝的品種設(shè)計的最佳策略，建立從“分子模塊”到“設(shè)計型品種”的現(xiàn)代生物育種創(chuàng)新體系。力爭通過5年的努力，解析并獲得一系列高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效的分子模塊，建立模塊耦合組裝的理論和應用模型，實現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效模塊的有效組裝，培育一批水稻、鯉等初級模塊分子設(shè)計型新品系。

中科院在農(nóng)業(yè)科學研究方面有著獨特的傳統(tǒng)優(yōu)勢，植物分子生物學和基因組學研究已步入國際領(lǐng)先行列，完成了一大批有重要應用前景的動植物基因的克隆與功能解析，凝聚了一大批國際知名科學家，在基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)研究、試驗示范平臺建設(shè)、成果推廣等方面擁有一支強有力的科研團隊，學科布局涵蓋生物科學前沿的各個領(lǐng)域。因此中科院組織實施“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略先導專項，在研究基礎(chǔ)、人才隊伍、學科交叉與聯(lián)合攻關(guān)方面有著其他科研院所無法比擬的力量和優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

“民以食為天”。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)品的充足供給對人民生活的改善和社會的和諧進步具有重大意義。我國已進入更加依靠科技創(chuàng)新以保障糧食供給、促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的歷史新階段。因此，中科院組織實施“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略先導專項，對于引領(lǐng)未來生物育種技術(shù)的發(fā)展，保障國家糧食安全、提高人民生活水平、改善生態(tài)環(huán)境、提升綜合國力等方面具有十分重要的作用。中科院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新團隊將通過專項的實施為國家生物育種戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展貢獻力量。

1袁隆平.一粒種子的價值.科學新聞,2012,4:19.

2宋敏,任靜,劉麗君.中國種業(yè)知識產(chǎn)權(quán)調(diào)查報告.中國稻米,2010,17（6）：19-20.

3儲成才.轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)育種:機遇還是挑戰(zhàn)？植物學報，2013,48(1):10-22.

4 Huang X H,Wei X H,Sang T et al.Genome-wide association studies of 14 agronomic traits in rice land-races.Nature Genetics, 2010,42:961-967.

5 Huang X,Qian Q,Liu Z et al.Natural variation at the DEP1 locus enhances grain yield in rice.Nature Genetics,2009,41:494-497.

6 Li X,Qian Q,Fu Z et al.Control of tillering in rice.Nature,2003, 422:618-621.

7 Jiao Y,Wang Y,Xue D et al.Regulation of OsSPL14 by OsmiR156 defines ideal plant architecture in rice.Nature Genetics, 2010,42:541-544.

8賈敬敦.創(chuàng)新種業(yè)體制機制.科學新聞，2012,4:20-21.

Next-generation Biotechnological Breeding Techniques for the Future——Designer Breading by Molecular Modules

Xue Yongbiao1Duan Ziyuan2Zhong Kang3Yao Yuan2
（1 Institute of Genetics and Developmental Biology，ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100101,China 2 Office ofAgricultural Program,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100864,China 3 Institute of Botany,ChineseAcademy of Sciences,Beijing 100093,China）

China is a large agricultural country,sustainable and stable agricultural products production has a very important strategic significance for ensuring food security in China.The seed is the source of food production.With the rapid development of life sciences,biotechnological breeding has become an inevitable choice for the development of modern seed industry. This paper outlines the status of breeding technology in China and puts forward the concept of"designer breeding by molecular modules".We believe that the development construction of“innovation systems of designer breeding by molecular modules”could lead to a revolution in biotechnological breeding.

biotechnological breeding,molecular module,pilot projects

*修改稿收到日期：2013年5月6日

中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系）

文章執(zhí)筆人：姚遠，中科院農(nóng)業(yè)項目辦公室副研究員（E-mail:yaoyuan@cashq.ac.cn）

薛勇彪中科院遺傳發(fā)育所所長、研究員。蘭州大學生物系學士（1983），中科院發(fā)育所碩士（1986），英國University of East Anglia和John Innes Institute植物分子生物學博士（1989）。中國遺傳學會和中國作物學會副理事長、Journal of Genetics and Genomics和《遺傳》主編、Theoretical and Applied Genetics等多個SCI雜志編委。主要從事顯花植物自交不親和性分子機理和水稻功能基因組研究，發(fā)表SCI論文100余篇。1998年獲基金委杰出青年基金和入選中科院“百人計劃”，2002年被評為中科院“百人計劃”優(yōu)秀入選者，2004年獲第八屆中國青年科技獎，2007年獲國家自然科學獎二等獎2項。E-mail：ybxue@genetics.ac.cn