分子育种时代的作物种质资源创新与利用

秦丹丹，董　静，许甫超，徐 　晴，葛双桃，杜　静，李梅芳*

(1.湖北省农业科学院粮食作物研究所，湖北武汉430064；2.粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室，湖北武汉430064；3.长江大学，湖北荆州434200)



分子育种时代的作物种质资源创新与利用

秦丹丹1,2，董静1,2，许甫超1,2，徐 晴1,2，葛双桃1,2，杜静3，李梅芳1,2*

(1.湖北省农业科学院粮食作物研究所，湖北武汉430064；2.粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室，湖北武汉430064；3.长江大学，湖北荆州434200)

种质资源又称遗传资源，其不仅是进行农业科技原始创新以及现代种业发展的物质基础，更是保障粮食安全、建设生态文明并实现农业可持续发展的战略性资源。本文从种质资源的收集、鉴定和评价、创制及利用等方面进行了综述，以期为分子育种时代的种质资源创新和利用工作提供可利用的信息。

分子育种；种质资源；创新；利用

种质资源又称遗传资源，是进行新品种选育的基础材料。古老的地方品种、重要的遗传材料、野生近缘植物以及利用上述繁殖材料人工创造的各种植物的遗传材料，都属于种质资源的范畴。就作物而言，种质资源不仅是进行农业科技原始创新以及现代种业发展的物质基础，更是保障粮食安全、建设生态文明、实现农业可持续发展的战略性资源。种质资源的核心是其所携带的基因，对优异基因进行挖掘和充分利用可使农业生产取得突破性进展，举世闻名的第一次“绿色革命”就源于小麦和水稻中矮秆基因的发现和应用[1]。长期以来，我国作物种质资源工作的重点一直停留在收集、保存与鉴定等方面，导致具有广泛应用前景的高产、优质、多抗、高效等关键功能基因的发掘与利用滞后，突破性新种质匮乏以及特有基因资源流失严重等问题。根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》精神，从国家科技发展总体布局出发，结合经济发展和国家安全需求，在现代生物技术高速发展的时代背景下，作物种质资源的工作重心将转向其优异基因资源发掘与种质创新，包括高产、优质、抗生物及非生物逆境、水肥高效利用等基因资源，在明确其功能和应用价值的基础上，创造一批可直接用于育种的中间材料。最新公布的七大作物育种专项也将优异种质资源鉴定与利用作为各项工作的重中之重。本文对我国种质资源的收集、鉴定和评价、创制及利用现状等方面进行了综述，以期为作物种质资源的创新和利用工作提供可利用的信息。

1　种质资源的收集

种质资源的收集是一个很古老的话题。作为作物种质资源大国，长期以来，我国政府和科学家也一直非常重视作物种质资源的收集工作。自20世纪50年代以来，不仅先后组织了多次农作物种质资源征集和考察工作，而且在保存设施建设方面也加大了投入，挽救了一大批濒临灭绝的地方品种和野生近缘种及其特色资源，建立了完善的种质资源保护体系[2]。

2015年，农业部、发展改革委和科技部联合印发了关于《全国农作物种质资源保护与利用中长期发展规划(2015—2030年)》的通知，深入分析了在现代农作物种业发展过程中我国目前农作物种质资源保护与利用工作存在的问题，严密部署了第3次全国农作物种质资源普查与收集行动，并就实施过程提出了详细的技术规范。

2　种质资源的鉴定与评价

目前我国编入全国作物种质资源目录的材料约48万余份，跃居世界第2位[3]。如何对数以万计的种质资源进行精准评价，从中发掘出优异基因并将其应用于现代化育种工作，是现阶段我国进行种质资源收集的最主要的目标之一，也是亟待解决的科学问题之一。

在对种质资源进行广泛收集和考察的基础上，我国相关研究人员也对所保存的资源进行了基本农艺性状的鉴定，并进行了综合评价。而这些基于不同年份、不同地点的调查所进行的评价，由于以易受环境影响的表型特征为依据，同时受研究条件和研究方法的制约，不能全方位、多层次地展开，因此精度有限。与表型鉴定相比，基于DNA序列多态性的分子标记则能在DNA水平上揭示种质间的不同，不受环境及发育时期等因素影响，而且具有较高的稳定性和可重复性，从而成为进行种质资源的鉴定和评价的一个更直接、高效且可信的工具。现阶段，我们应重点基于分子标记进行种质资源的DNA指纹分析、遗传多样性分析、核心种质构建以及功能基因的鉴定和评价等。

2.1DNA指纹分析

DNA指纹分析是分析并比较任何生物体之间DNA序列的非常快速的方法，该方法已被广泛且有效地用于种质资源的管理。目前，用于指纹识别的分子标记有简单重复序列(SSR)或微卫星(microsatellite)、SCoT(start codon targeted polymorphism)、抗性基因同源序列(RGA)、SNP(single nucleotide polymorphism)等多种类型。这些分子标记大多为单位点，符合孟德尔遗传规律，而且多态性高、信息量丰富。随着测序技术的不断发展，基于高通量测序的基因型检测方法也逐渐成为研究热点之一。

2.2遗传多样性分析

遗传多样性是生物多样性的核心问题，是种质资源研究的重要方向。物种内或物种间的遗传多样性可以表现在多个层次上，如分子、细胞和个体等，遗传多样性是物种保持进化潜能的基本条件。近年来，遗传多样性的研究发展迅速，新的理论和方法不断产生、发展和完善。基于分子标记的遗传多样性分析可直接用于指导育种实践，例如利用分子标记技术对作物种质资源的群体结构与遗传多样性进行分析，可以帮助育种家更有目的地选择杂交配组亲本，提高育种效率。

2.3核心种质构建

对资源的广泛征集和不断累积交换使得种质资源越来越多，但数量的增加并不意味着遗传变异也得到相应增加，因为资源库中可能含有较大比例的遗传冗余甚至重复的材料。这就为我们种质资源工作了提出一个新的问题，就是如何对数目庞大的种质资源进行评价和有效利用，“核心种质”这一概念的提出为这一问题提供了解决办法。构建核心种质是提高种质资源利用效率、提升种质创新能力的基础。另外，核心种质本质就是一个基因库，在作物优质单元型区段(或基因)的发掘过程中也具有广泛的应用价值。

近年来，作物遗传资源核心种质的构建越来越受到学者的关注。目前，我国已构建了水稻、小麦、玉米、大豆等几大作物的核心种质库。在国家973项目的资助下，我国科学家还开展了水稻、小麦和大豆核心种质重要农艺性状单元型区段及互作研究，该项工作也将为以上作物的分子设计育种和遗传转化育种提供基因资源，为未来重要基因的合理布局提供科学依据。

3　种质资源的创新

种质资源创新的过程，就是对现有种质资源中所包含的遗传信息采取某种手段或方法进行改变的过程，传统意义上的杂交育种就是种质创新的一种最基本和常用的途径。随着人们对生物体认识的不断深入以及生物技术的不断发展，种质资源创新的方法也不仅仅停留和局限于通过杂交来进行，还在组织、细胞乃至分子水平上进行。创新途径主要包括诱变、染色体工程技术、小孢子培养、原生质体融合基因工程等。

近代理化手段、生物技术的兴起也极大地提高了人们创造和利用变异的能力，为种质创新提供了多种可利用的手段。突变体库的建立和筛选也是基因挖掘的重要基础。国际上已构建了4个大规模水稻插入突变体库。通过60Co-γ 射线照射、甲基磺酸乙酯(EMS)诱变等技术，各国科学家也创制了多个水稻、玉米、小麦、大豆等主要作物的突变体库[4]。

单倍体育种技术是近来发展成熟的、基于小孢子培养、花药培养等组织培养技术的育种方法，它是对植物单核晚期的花粉进行培养，诱导其形成胚状体，并通过染色体人工或自然加倍产生纯合的二倍体或多倍体植株的过程。该方法可快速获得大量纯合、稳定的双、单倍体再生植株，为保存和创造作物种质资源提供了一条有效途径。

转基因技术的发展则实现了不同物种间基因的交流。转基因育种就是根据育种目标，利用现代生物技术从供体生物中分离目的基因，经DNA重组和遗传转化将其导入受体作物，经过筛选获得稳定表达的重组单株，最终结合大田选择和田间试验培育新品种或新种质的过程。该技术可以突破物种间的遗传障碍，大跨度地超越物种间的不亲和性，从而打破了遗传物质分类上的界限，实现了基因在不同物种间的转移，大大拓宽了作物遗传改良可供利用的基因来源[5]。目前，转基因育种在大豆、玉米、棉花和油菜等作物中都已取得成功[6]。

多项研究表明，基因序列的微小变化可以对植物基因型产生显著影响，从而影响植物的表型。新近发展起来的基因组编辑技术有望成为继突变和转基因技术之后的育种技术发展的又一个里程碑，主要包括寡核苷酸介导的定点突变(oligonucleotide-directed mutagenesis，ODM)、转录激活类似效应因子核酸酶技术(transcription activator-like effector nuclease，TALEN)、锌指核酸酶(zinc-finger nuclease，ZFN)、成簇的规律间隔的短回文重复序列(clustered regulatory inter spaced short palindromic repeat，CRISPR)系统。以上技术不仅可以特异地修饰某个靶向序列，从而创造新的等位基因，而且与传统的点突变相比，效率更高、速度更快、无多余的随机突变。目前，基因组编辑技术在植物的抗病性、除草剂抗性以及营养代谢等相关领域得到成功应用[7]。我们相信在不久的将来，这些基因也将对作物育种产生深远影响。

4　种质资源的利用

4.1作物种质资源利用的传统途径

我国对种质资源的传统利用大致经历了直接利用、杂交育种和杂种优势利用3个阶段。20世纪50年代初期到60年代中期，我国生产上以直接利用种质资源中的优异地方品种进行就地繁殖和推广为主。在此基础上，各地不但相互交换优良品种，而且还从许多其他国家引进了多种农作物优良品种，并通过系统选择和杂交改良等途径，实现了两次品种更新换代，使优良品种得到迅速普及[3]。尽管当时这些改良品种对产量的贡献率比较低，但是，通过对全国种质资源的筛选，明确了这些作物种质资源所具有的不同特性，为后来作物新品种选育奠定了良好基础。

20世纪50年代后期，杂交育种技术初露端倪，我国就迅速推广普及杂交育种技术，大规模独立自主地培育主要农作物新品种。60年代以后，我国自育优良品种已经覆盖大部分生产面积。这期间，在第一次“绿色革命”浪潮的影响下，我国科学家利用水稻地方品种“矮子占”和小麦创新种质“矮孟牛”以及从国外引进的矮秆种质资源育成了大量的水稻和小麦矮秆新品种，进一步提高了水稻和小麦的产量水平。

杂种优势是在杂交育种过程中，后代所表现出的超亲现象。早在20世纪60年代以前，一些国家就开始在玉米和高粱育种中利用杂种优势，并使得产量大幅提高。我国的杂种优势利用工作起步相对较晚，前期工作主要是从国外引进了玉米自交系和高粱雄性不育系，并加以利用，该项工作为我国两系杂交技术的迅速发展奠定了基础。20世纪70年代以来，我国“杂交水稻之父”袁隆平院士利用“野败”不育株，实现了水稻的“三系”配套，成功育成了杂交稻，水稻产量得到大幅提高，并使得我国迅速摆脱了粮食紧缺的困扰，有效提高了我国生产技术水平和粮食自给能力。此后，我国杂种优势利用技术得到进一步发展，目前，在水稻、玉米、高梁、谷子、小麦、蔬菜、大豆、棉花、油菜等主要农作物新品种培育过程中都不同程度地利用了杂种优势，不仅使得新品种的产量和品质得到大幅提高和改善，同时为提升我国粮食综合生产能力和国际农产品市场竞争力提供了坚实的支撑[3]。

4.2与生物技术相结合的种质资源利用途径

种质资源利用的最终目的是培育出新品种。目前，世界范围内的育种研究已从传统的常规育种进入依靠生物技术育种的时代，从单个基因的测序转为有计划、大规模地检测水稻等重要生物体的基因图谱。目前，全世界已有6 000多项农作物方面的生物技术研究成果进入田间试验，这些也表明，生物技术在作物育种中具有巨大的应用潜力。

4.2.1优异基因挖掘。要实现生物技术在作物育种中的重要作用，首要任务是确定植物群体内基因或基因片段的表达及与表型现象的内在关联。在这一过程中，目前常用的方法就是基于双亲分离群体(F2、RIL、CSSL、NIL等)的数量性状位点定位(QTL mapping)和基于连锁不平衡(linkage disequilibrium，LD)的将标记或候选基因的等位变异与目标性状联系起来的关联分析(association analysis)，这2者都属于正向遗传学的研究范畴。随着测序技术的飞速发展，基于高通量测序的QTL定位和关联分析相关研究也取得了较大进展，并显示了广阔的应用前景。而在反向遗传学中，基因所影响的表型并不清楚，但可通过基于遗传转化所进行的基因功能获得或缺失技术研究基因所引起的表型变异及其功能，并对其加以利用。

随着水稻、玉米等基因组测序的完成，以及结构和功能基因组学的飞速发展，越来越多的作物中的重要性状相关基因被克隆，如水稻中已克隆的产量与品质相关基因GS3、GS5、GW2、Ghd7，抗病相关基因xa13，抗褐飞虱基因Bph14等[8]。根据已克隆的基因信息，在种质资源中进行目的基因的等位变异分析，找到优异的等位基因，这样不仅能完成对现有种质资源的精确鉴定，还能对鉴定的含有优异等位基因的材料通过分子标记辅助选择应用到育种中，从而培育出优良的品种。而对于大麦、小麦等基因组庞大的作物来说，也可以参考水稻等模式植物的研究结果，通过同源克隆、关联分析等策略对一些重要性状产生的分子机理进行解析，并对相关基因进行功能鉴定和利用。

随着现代生物技术的高速发展，作物基因发掘出现了一些新的发展趋势，例如基因组测序技术的更新换代、高通量基因型和表型分析平台的建立，都将促进基因发掘的规模化和高效化。

4.2.2分子标记辅助选择。20世纪80年代后期，我国开始利用分子标记辅助选择进行新品种的培育。分子标记辅助选择的核心是借助与目标基因紧密连锁的分子标记，直接选择目标基因型个体。分子标记辅助选择不受环境影响，可在早代进行准确、稳定的选择，而且可以克服再度利用隐性基因时识别难的问题，并能同时聚合多个目标基因，因此，可大大提高育种效率和水平。随着现代生物技术的高速发展，各主要作物越来越多的重要性状相关基因被定位或克隆，这将极大地促进作物分子标记辅助选择育种技术的应用。在种质资源的应用工作中，我们应以种质资源的鉴定评价、种质创新和优异基因挖掘等工作为基础，通过分子标记辅助选择，有目的的将野生近缘种属、地方农家品种和国外引进优异种质中的有益基因导入栽培种中，从而对栽培种进行性状改良，创造出一批更适合育种需要的中间材料。

4.2.3分子设计育种。种质创新和基因挖掘是对种质资源研究工作的提升，对种质资源进行充分利用则是作物种质资源研究工作的最终目的。科学技术的不断发展将使得作物基因发掘的速度和数量大幅提高，这也将促进后基因组时代的到来，加深我们对基因互作的了解，从而揭开作物重要性状的基因网络调控途径。因此，在创制一批满足育种需要的中间材料的同时，还应着眼于未来，结合分子标记辅助选择，将挖掘到的优异基因导入到该作物的当前应用广泛、综合性状优良的某一品种中，构建包括高产、优质和高抗等基因的一系列的近等基因系；以上述近等基因系为材料，通过基因的定向组装达到性状的协调改良，突破传统育种的瓶颈，实现作物品种的精准分子设计育种。同时，我们也应该把握机遇，充分利用植物基因组学和生物信息学等前沿学科的重大成就，及时开展分子设计育种的基础理论研究，建立具有自主知识产权的分子设计育种技术体系和技术平台[9]。

5　展望

当代生物技术的高速发展，如高通量表型和基因型鉴定技术，使得种质资源创新和利用的各个环节都融入了现代高新科技的元素。有理由相信，这些工作的顺利完成将为选育突破性农作物新品种、发展现代种业、保障粮食安全提供物质和技术支撑。

[1]严远鑫.水稻矮化(相关)基因的克隆及其对水稻农艺性状的影响研究[D].北京：北京大学,2002.

[2]刘旭.把握生物技术发展契机 加快作物种质资源创新[D].北京:中国农科院,2010.

[3]王岩,吴禹,李兆波,等.种质资源创新与利用途径分析[J].农业科技与装备,2011(5):10-12.

[4]朱培培,连少英,刘红杰,等.EMS诱变国麦301突变体库的构建[J].农业科技通讯,2015(3):103-105.

[5]吴锁伟,杨红梅,刘梦晗,等.玉米种质创新的新技术研究进展与产业化应用[C]//北京种业高峰论坛论文:农业新品种、新技术研究与应用.北京:中国农学通报,2012.

[6]彭永刚,张磊,朱桢.国内外转基因农作物研发进展[J].植物生理学报,2013,49(7):611-614.

[7]SOVOVA T,KERINS G,DEMNEROVA K,et al.Genome editing with engineered nucleases in economically important animals and plants: state of the art in the research pipeline[J].Current Issues in Molecular Biology,2016(21):41-62.

[8]肖景华,吴昌银,袁猛,等.中国水稻功能基因组研究进展与展望[J].科学通报,2015,60(18):1711-1722.

[9]王建康,李慧慧,张学才,等.中国作物分子设计育种[J].作物学报,2011,37(2):191-201.Innovation and Utilization of Crop Germplasm Resources During the Era of Molecular Breeding

QIN Dan-dan,DONG Jing,XU Fu-chao,XU Qing,GE Shuang-tao,DU Jing,LI Mei-fang

(1.Institute of food crops,Hubei Academy of Agricultural Science,Wuhan 430064,China; 2.Hubei Provincial Key Laboratory of Food Crop Germplasm and Genetic Improvement,Wuhan 430064,China; 3.Yangtze University,Jingzhou 434200,China)

Germplasm resources are also known as genetic resources.In the modern society,germplasm resources serve as the material basis for agricultural technology innovation and the development of modern seed industry.They are also strategic resources for ensuring food security,construction of ecological civilization,and realization of sustainable development of agriculture.In order to provide useful information for the innovation and utilization of germplasm resources during the era of molecular breeding,this paper reviews research progresses on germplasm resources in terms of collection,identification and evaluation,and innovation and utilization of germplasm.

Molecular breeding;Germplasm resource;Innovation;Utilization

2016-07-07

湖北省自然科学基金重点项目(2015CFA108)；湖北省农科院青年基金项目(2014NKYJJ12)；国家大麦青稞产业技术体系(CARS-05)。

秦丹丹(1982—)，女，副研究员，主要从事麦类重要功能基因的挖掘及遗传育种工作。E-mail:hnqdd@163.com。

李梅芳(1957—)，女，研究员，主要从事麦类育种工作。E-mail:limeifang100@126.com。

S326

A

1673-6486-20160221

秦丹丹,董静,许甫超,徐晴,葛双桃,杜静,李梅芳.分子育种时代的作物种质资源创新与利用[J/OL].大麦与谷类科学,2016，33(3)：1-4,19[2016-08-18].http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20160818.1927.001.html