農作物基因設計育種發展現狀與展望

●侯兆武 （濟南市農業科學研究院 山東 濟南 250316）

1 農作物基因設計育種概述

1.1 基因設計育種原理

在農作物基因設計育種技術發展過程中，新型基因設計工具研制可以使相關研究人員培育出產量更高﹑質量更好的農作物?；蛑傅氖蔷哂羞z傳效應的DNA片段，對生物性狀有控制性作用，支持生命的基本構造和性能[1]。生物性狀是由基因直接決定的，如玉米高矮﹑產量高低﹑抗倒伏性能等。在基因設計育種中，需要引入遺傳變異。在傳統育種過程中，對農作物一個品種進行改良需要幾年甚至幾十年，主要是因為傳統育種技術產生的變異具有不可控性﹑隨機性，如雜交育種需要經過多代篩選，才能夠獲取真正的變異概率，育種周期較長，難度也較大。當前育種技術不斷發展，相關基礎設施不斷完善，科學家利用基因設計開展育種，可以創造遺傳變異，如太空育種，直接利用太空特殊環境誘變使種子發生變異?；蛟O計能夠對作物的特定基因進行精準定位，對定位基因剪斷后，細胞可以修復斷口，產生變異。

1.2 基因設計育種的價值

利用基因設計育種技術可以對作物的某一個基因進行改良，并且時間比較短，在一次基因設計中可以對多達幾十個基因同時進行調控。在基因設計育種過程中需要利用可以精準定位的基因設計工具精確快速地促使作物發生基因突變，培育出更有營養﹑更耐受極端天氣﹑產量更高的作物種子。從這一角度出發，基因設計育種精準定位工具發揮了至關重要的作用，在之前的基因設計育種過程中，主要是剪斷基因，細胞修復斷口會出現變異，致使基因失活無法發揮作用，基因設計育種確保不利于農作物生長的基因失活，從而培養出優質﹑高產﹑抗病的品種。

2 農作物基因設計育種發展現狀

2.1 創建了具有特色的基因發掘材料

近年來，我國保存了近40萬份農作物種子資源，為基因發掘奠定了有效的物質基礎。但是從數量巨大的種子資源庫中挖掘優異基因難度較大，有研究人員提出核心種子的概念，在一定程度上為種質資源的深入研究和利用提供了新的方法。在我國科技項目研究過程中，主要農作物核心種質系統研究比國外同類研究更早，目前已經完成了水稻﹑小麥﹑大豆﹑玉米以及其他幾十種農作物核心種質和微核心種質構建，降低了種質資源的數量。微核心種質對總體的代表性保持在75%以上，可以推動種質資源精細表型鑒定以及基因型鑒定，這在基因設計育種過程中發揮著至關重要的作用。在種質資源鑒定方面可以利用優異性狀材料構建大批遺傳分離群體，并完成遺傳圖譜構建以及基因定位。這些群體以重組自交系群體﹑近等基因系群體以及回交群體等為主[2]。

2.2 推動了基因挖掘方法創新

在現代分子生物學發展過程中，基因組學和生物信息學的發展速度不斷加快，在一定程度上推動了基因挖掘新理論和新方法的發展。目前，基因挖掘策略和方法的相關研究越來越成熟。作物基因挖掘的方法主要包括表型到基因正向遺傳學和從基因到表型的反向遺傳學。

2.2.1 正向遺傳學方法正向遺傳學可以根據目標基因在染色體的具體位置完成基因克隆。在我國的水稻克隆中可以對多種重要性狀基因如MOCI﹑Ghd7﹑RIDI等進行有效控制。除此之外，以連鎖不平衡為核心可以將標記或者候選基因遺傳變異與目標性狀表型進行聯系完成分析。在分析時主要從全基因組掃描的關聯角度出發，研究候選基因的關聯情況，對水稻開展全基因組掃描分析，主要是對基于全基因組掃描的關聯分析方法進行應用。對小麥的光周期反應基因Ppd-D101關聯進行分析時，主要是基于候選基因開展的分析工作。

2.2.2 反向遺傳學方法通過反向遺傳學開展研究時，基因影響的表型具有一定的模糊性，需要利用遺傳轉化研究基因功能和引發的可能表型變異進行研究。除此之外，也可以插入或者刪除﹑轉座子標簽或者進行RNA干涉等。通過表型變異對基因進行挖掘，在反向遺傳學方法應用過程中，同源基因克隆是典型代表。我國水稻基因在挖掘過程中是以圖位克隆為主的，而其他農作物在研究中以同源基因克隆為主。以比較基因組學的相關方法為核心進行研究，可以在無基因組序列作物基因克隆過程中發揮突出作用。以不同方法進行整合研究基因功能是當前基因設計育種過程中的重要方法，也是新型方法。將基因關聯分析與表達分析與轉基因進行結合﹑同源克隆基因與重組自交系群體定位進行結合等可以促進整合連鎖圖譜﹑表達譜以及功能互補分析，從而確定克隆微效抗性基因。

2.3 初步構建了基因設計育種技術體系

現階段，我國主要農作物產出的專利達到上萬件，占全球40%以上，并且逐步構建了系統完善的農作物基因設計育種技術體系。在轉基因技術發展過程中，我國在多物種遺傳﹑轉化等方面的自主研發能力得到了明顯提升，并且檢測監測管理體系以及生物安全評價等相關體系越來越完善，可以從原有的跟蹤模仿到自主創新，創制出具有較強應用前景的耐除草劑﹑耐旱﹑節水﹑營養豐富的功能性轉基因玉米﹑水稻﹑大豆等，均已超過國外同類產品。在農作物設計育種過程中，基因設計技術的應用越來越普遍，對水稻﹑小麥﹑玉米等作物都構建了基因消除﹑基因替換或者插入﹑單堿基定向突變等基因組定點編輯技術體系，可以對農作物的抗病性能﹑品質以及耐除草劑性能等進行深入研究。

全基因組選擇技術在應用過程中推動了聚合多元優良基因的研究和發展。目前，已經構建了水稻﹑小麥﹑玉米等作物全基因組選擇技術體系。在農業合成生物過程中挖掘與合成了具有較強抗鹽堿性﹑耐干旱性﹑氮高效利用等元件。利用全基因組層面構建人工智能預測模型，完成了智能組合優良等位基因的人工變異﹑自然變異等育種設計工作，實現了農作物新品種高效﹑智能﹑定向培育，極大提高了育種效率[3]。

3 農作物基因設計育種發展展望

隨著農作物基因設計育種技術的不斷發展以及我國基因設計育種技術體系的形成，在未來的農作物基因設計育種發展過程中，可以從以下角度出發進行分析開展。

3.1 深入研究，提升原創能力

在農作物基因設計育種發展過程中，必須對國際作物種業科技基礎理論的最新成果進行深入分析，重視源頭創新，對重大基礎科學問題進行深入探索，提高基因設計育種技術的先進性以及原創能力。在作物優異基因資源多樣化以及演化過程中需要對物種多樣性的產生和演化機制進行深入探索，對物種資源形成時的基因組學基礎等進行全面解析，促進資源挖掘和理論創新。除此之外，在農作物育種性狀形成過程中，還要對生物分子技術進行應用，通過產量﹑品質﹑抗性﹑營養﹑高效等不同性狀遺傳以及表觀遺傳變異規律的深入分析，完成分級調控網絡構建，從而為農作物基因設計育種的多性狀設計奠定堅實的理論基礎[4]。

3.2 加大核心技術研究和創新

在農作物基因設計育種的未來發展過程中必須突破作物基因設計育種的核心技術，對新一輪種業科技革命帶來的機遇和挑戰全面分析，利用前沿技術促進作物基因設計育種技術的突破。以基因組學為基礎完成分子標記﹑轉基因和分子設計育種技術的深入探索，促進全基因組選擇﹑基因編輯﹑合成生物等核心技術的發展。與此同時，還要將大數據技術﹑人工智能技術等與基因設計育種技術有效融合，形成作物基因設計育種技術體系，搶占技術創新高點。對新一代作物高效挖掘技術進行深入探索，推動優異基因快速挖掘，對重要物種的全基因組選擇技術進行全面開發和優化，提升基因聚合效率。對原有作物的優良品種的高效遺傳轉化瓶頸進行探索，突破困境。研發不僅需要以收緊機型限制為主的高效遺傳轉化性技術，并且要對單堿基定點突變﹑大片段定點插入以及同源重組等基因定向編輯技術等進行創新。利用人工智能和數據庫技術形成基因設計育種信息庫，促進工程學模塊化和系統設計理論完善發展，構建基于模塊組裝和通路設計的合成生物技術系統，為農作物基因設計育種提供可靠支撐。

4 總結

在當前的農作物基因設計育種創新過程中，需要對我國農作物基因設計育種成果進行全面分析，了解農作物基因設計育種過程中的難點，對農作物基因育種性狀﹑遺傳網絡進行充分闡釋。同時要加強基因設計育種創新團隊和青年科學家培養。將合成基因設計﹑基因編輯﹑全基因組選擇等技術應用于基因設計育種技術體系，促進人工智能技術和大數據等新興學科與基因設計育種技術體系的有效融合，形成國家農作物基因設計育種技術創新中心，提升我國農作物基因設計育種的綜合實力和國際競爭力。