淺析小麥常規(guī)育種與分子育種的結(jié)合*

牛瑜琦，任永康，逯成芳，左靜靜，閆貴云，唐朝暉

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心，太原 030031）

淺析小麥常規(guī)育種與分子育種的結(jié)合*

牛瑜琦1，任永康1，逯成芳1，左靜靜1，閆貴云1，唐朝暉2

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心，太原 030031）

文章介紹分子育種技術(shù)，并分析小麥常規(guī)育種與分子育種技術(shù)的有效結(jié)合措施，以供相關(guān)研究者參考。

小麥常規(guī)育種 分子育種 結(jié)合措施

我國(guó)的小麥仍然有著單產(chǎn)增速緩慢、品質(zhì)較差的問(wèn)題，為了改善這些問(wèn)題，就必須從小麥的遺傳基因著手，也就是利用分子育種技術(shù)來(lái)對(duì)小麥育種問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)對(duì)小麥的遺傳特征進(jìn)行研究來(lái)改變小麥單產(chǎn)的數(shù)量和質(zhì)量，是我國(guó)未來(lái)小麥研究的主要方向之一[1]。但是，分子育種技術(shù)還處于研究應(yīng)用階段，并沒(méi)有大范圍推廣應(yīng)用，要有效應(yīng)用這種技術(shù)，還需要與傳統(tǒng)的小麥育種方式進(jìn)行有效結(jié)合，逐步促進(jìn)小麥育種技術(shù)的改善。

1 分子育種技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 概念

分子育種是指，將分子生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于育種中，在分子水平上進(jìn)行育種，是現(xiàn)代生物技術(shù)與遺傳育種方法的一種整合。分子育種技術(shù)在使用中，綜合表現(xiàn)型和基因型對(duì)種子進(jìn)行篩選，然后逐漸選出具有更加穩(wěn)定質(zhì)量的種子。這種方法應(yīng)用現(xiàn)代生物學(xué)的分析方法，對(duì)影響種子的各種因素進(jìn)行模擬篩選，可以確定最佳的親本選擇以及后代選擇策略，從而提高育種效率。同時(shí)，能夠進(jìn)一步保證種子的質(zhì)量，在產(chǎn)量、抗病蟲(chóng)害等方面具有更好的篩選效果[2]。

1.2 類型和原理

分子育種主要有3種類型，即轉(zhuǎn)基因育種、分子標(biāo)記輔助選擇育種和分子設(shè)計(jì)育種。這3種育種類型只是使用的選擇方法不同，但是其中心仍然是常規(guī)育種，也就是在常規(guī)育種的過(guò)程中，結(jié)合這幾種新型的育種技術(shù)，以達(dá)到更好的育種效果。這3種分子育種類型具有不同的原理，在實(shí)際應(yīng)用中有不同的應(yīng)用方法。

1.2.1 轉(zhuǎn)基因育種

轉(zhuǎn)基因育種是一種根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行篩選的技術(shù)，也就是說(shuō)，首先，確定育種結(jié)果應(yīng)該具有怎樣的性質(zhì)；其次，根據(jù)這些目標(biāo)找到滿足其中一些條件的供體；再次，利用基因分離技術(shù)將目的基因從供體中分離出來(lái)，并通過(guò)DNA重組將基因植入到受體內(nèi)，然后將這些接受了轉(zhuǎn)基因的種子進(jìn)行種植，選擇出表現(xiàn)穩(wěn)定的植株；最后，通過(guò)田間試驗(yàn)選育成轉(zhuǎn)基因新品種[3]。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是在農(nóng)業(yè)、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域都有研究應(yīng)用，世界上最早的小麥轉(zhuǎn)基因植株產(chǎn)生于1992年，是由Visil等將小麥品種“Pavon”中導(dǎo)入GUS/Bar基因所得[4]。我國(guó)的龐俊蘭等人通過(guò)將一種特殊的小麥土傳花葉病毒抗性基因，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)植入到了普通小麥中，最后成功145株再生植株，轉(zhuǎn)化率高達(dá)0.99%[5]。轉(zhuǎn)基因技術(shù)雖然原理簡(jiǎn)單，但是基因分離技術(shù)和DNA重組技術(shù)在實(shí)施的過(guò)程中還是有一定的困難性，因此，進(jìn)行轉(zhuǎn)基因育種時(shí)的轉(zhuǎn)化率并不是非常穩(wěn)定，且根據(jù)相應(yīng)的基因提取和植入的困難程度會(huì)有所變化，還需要進(jìn)一步地研究實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 分子標(biāo)記輔助選擇育種

分子標(biāo)記輔助選擇育種是一種選擇育種基因的方式。其原理是根據(jù)分子標(biāo)記技術(shù)，對(duì)期望個(gè)體進(jìn)行檢查，尋找是否存在目的基因。分子標(biāo)記輔助選擇育種，直接通過(guò)DNA序列來(lái)對(duì)個(gè)體進(jìn)行選擇，能夠避免植物生長(zhǎng)階段以及生長(zhǎng)環(huán)境的影響，能夠使得選育出的小麥種子表現(xiàn)得更加穩(wěn)定，并且在技術(shù)成熟的前提下，可以通過(guò)基因選擇加快育種篩選過(guò)程，從而加快育種的進(jìn)度，提高育種效果。分子標(biāo)記輔助育種方式，目前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)育成的品種農(nóng)大399，以及周口農(nóng)科院育成的周麥27等，都是利用這種技術(shù)育成的，都是高產(chǎn)、穩(wěn)定、抗病性好的新型小麥種類。

1.2.3 分子設(shè)計(jì)育種

分子設(shè)計(jì)育種目前是一種正在研究的技術(shù)類型。分子設(shè)計(jì)技術(shù)是以生物信息學(xué)作為平臺(tái)，以基生物因組和蛋白質(zhì)組構(gòu)成的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)，根據(jù)作物的遺傳學(xué)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等得到的資料，按照既定的育種目標(biāo)設(shè)計(jì)出最佳的親本選配以及后代選擇策略，然后再進(jìn)行育種實(shí)驗(yàn)。分子設(shè)計(jì)育種是直接按照對(duì)育種的要求，設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)的一種方法，這種方法涉及比較廣泛的技術(shù)領(lǐng)域。在未來(lái)，隨著對(duì)染色體片段置換的構(gòu)建以及對(duì)小麥基因測(cè)序、QTL的定位分離等技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)逐漸成為現(xiàn)實(shí)，能夠進(jìn)一步在技術(shù)層面上，排除環(huán)境對(duì)于小麥育種效果的影響，使得整個(gè)育種過(guò)程的變化能夠進(jìn)一步被控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定的小麥育種，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥產(chǎn)量和質(zhì)量的穩(wěn)定發(fā)展控制。

2 小麥常規(guī)育種與分子育種技術(shù)的有效結(jié)合措施

小麥育種的重點(diǎn)就是對(duì)具有穩(wěn)定性狀的種子的選育過(guò)程，這一選育過(guò)程的根據(jù)是保證育種的穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在過(guò)去，對(duì)基因?qū)用娴难芯考夹g(shù)較為膚淺，小麥的選育過(guò)程都是根據(jù)性狀進(jìn)行選育，選擇有期望性狀的植株作為育種的供體，但這種選育是不穩(wěn)定的，通過(guò)這種方式選育出的小麥種子，仍然有很大的概率會(huì)出現(xiàn)不期望的性狀表現(xiàn)，僅僅從性狀表現(xiàn)上是無(wú)法對(duì)后代進(jìn)行完全控制的。因此，必須從分子層面對(duì)小麥進(jìn)行選育，選育的標(biāo)準(zhǔn)通常是小麥的產(chǎn)量、抗病蟲(chóng)能力、抗旱耐鹽等方面的表現(xiàn)，利用分子育種技術(shù)的目的正是為了從分子層面，控制小麥質(zhì)量的這幾項(xiàng)主要性狀表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)分子育種技術(shù)與小麥常規(guī)育種的有效結(jié)合。

2.1 綜合設(shè)計(jì)育種策略

育種策略的設(shè)計(jì)是小麥常規(guī)育種中的關(guān)鍵過(guò)程，同時(shí)也是分子育種技術(shù)在小麥常規(guī)育種中的主要應(yīng)用方式。在育種策略的制定中，綜合選擇分子育種技術(shù)，能夠從基因?qū)用婵刂朴N的性狀表現(xiàn)，培育出更加穩(wěn)定的后代。在分子育種技術(shù)中，轉(zhuǎn)基因技術(shù)一般是使基因能夠共享，是一種擴(kuò)大育種基因范圍的技術(shù)，而分子標(biāo)記輔助選擇育種，則是目前在育種策略中被廣泛應(yīng)用的一種分子育種技術(shù)，是現(xiàn)代小麥育種策略的主要技術(shù)基礎(chǔ)。例如，將優(yōu)良品種作為受體親本與含有目標(biāo)基因的供體親本進(jìn)行雜交，得到F1代進(jìn)行回交，將BC1進(jìn)行目標(biāo)基因定位（QTL定位）及標(biāo)記輔助選擇；中選的BC1經(jīng)過(guò)多次選擇（2～3次回交），運(yùn)用分子輔助標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行改良，逐漸選出含有目標(biāo)基因的近等基因系優(yōu)良品種；最后通過(guò)大田實(shí)驗(yàn)可以獲得穩(wěn)定的小麥種子類型，是一種非常有效的育種策略。根據(jù)目標(biāo)基因的類型的不同，可以進(jìn)行多次選育，直到得到具有全部目標(biāo)性狀的優(yōu)良品種。這正是一種分子育種技術(shù)與小麥常規(guī)育種相結(jié)合的最直接方式。合理、有效的育種策略，才能夠發(fā)揮分子育種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)小麥常規(guī)育種的發(fā)展轉(zhuǎn)變。

2.2 擴(kuò)大基因源

目前，小麥的育種急需擴(kuò)大基因源，尤其是在分子育種技術(shù)的應(yīng)用不斷發(fā)展的同時(shí)，更需要不斷地確定小麥具有的基因序列組合，才能夠進(jìn)一步保證小麥育種的穩(wěn)定性。目前，在小麥育種方面擴(kuò)大基因源的方式，主要是通過(guò)尋找新的小麥種類，并從中發(fā)新的現(xiàn)基因類型。在這一方面，QTL的方法是比較可行的方式。通過(guò)對(duì)性狀基因的研究定位，能夠更快速地發(fā)現(xiàn)新的基因源。目前，在這方面的成就主要有7DL.7Ag易位系的發(fā)現(xiàn)，這是外源基因用于小麥品種改良的一個(gè)新的典范；又例如，Bernacchi等人在野生番茄中發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)番茄總重增效的等位基因，這都是新的基因源的發(fā)現(xiàn)，對(duì)小麥本身的基因發(fā)現(xiàn)和品種改良也有重要的參考價(jià)值。目前，世界各國(guó)的生物學(xué)家和遺傳學(xué)家都在不斷地?cái)U(kuò)大基因源，這對(duì)于分子育種技術(shù)的發(fā)展和小麥常規(guī)育種的發(fā)展都有著重要的意義，是促使二者更緊密地結(jié)合在一起的基因數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 優(yōu)良性狀的結(jié)合

人們所期望的優(yōu)良小麥應(yīng)該是高產(chǎn)的、能抗病蟲(chóng)害、能抗旱耐鹽的小麥，也就是希望小麥能夠盡可能多地?fù)碛袃?yōu)良性狀。但是，如果按照傳統(tǒng)的小麥常規(guī)育種方式，要實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)良性狀的綜合是一件非常困難的事情，這會(huì)大大增加選育過(guò)程的復(fù)雜度，并且還不能保證一定會(huì)產(chǎn)生具有綜合優(yōu)良性狀的小麥品種。

3 結(jié)語(yǔ)

分子育種技術(shù)是目前育種技術(shù)的研究熱門(mén)。其中，轉(zhuǎn)基因技術(shù)、分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)、分子設(shè)計(jì)技術(shù)是幾種主要的分子育種技術(shù)，并且分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)已經(jīng)在實(shí)際的小麥育種中，進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，并且已經(jīng)產(chǎn)生了幾種優(yōu)良品種。通過(guò)將小麥常規(guī)育種與分子育種技術(shù)進(jìn)行更有效的結(jié)合，能夠更好地提高小麥的產(chǎn)量質(zhì)量，促進(jìn)我國(guó)小麥育種技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1] 馮建成．分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)在水稻育種上的應(yīng)用．中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2006，22（2）：43～47

[2] 王丹，秦海英，李華，等．淺析小麥分子育種技術(shù)．農(nóng)業(yè)科技通訊，2015，（2）：154～155

[3] 田紀(jì)春．小麥分子設(shè)計(jì)育種的程序和技術(shù)．全國(guó)植物分子育種討論會(huì)摘要集，2009

[4] 唐懷軍．小麥1B·1R易位系與稈銹病抗性基因的分子檢測(cè)．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010

[5] 韓斌，王長(zhǎng)彪，任永康，等．小麥分子育種研究進(jìn)展I．與小麥抗逆性相關(guān)的功能基因．山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（1）：116～120

山西中部麥區(qū)F型雜交小麥選育研究（2013BAD04B03-04）