我国生物技术育种现状与发展趋势

中国农业科技导报，２０１４，１６（１）：１６－２３ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀收稿日期：２０１４⁃０１⁃０３；接受日期：２０１４⁃０１⁃１３㊀基金项目：国家８６３计划项目（２０１１ＡＡ１０Ａ１０７）资助㊂㊀作者简介：康乐，博士，研究方向为作物分子设计㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｆｉｏｎａ．ｋａｎｇ＠ｆｒｏｎｔｉｅｒ⁃ａｇ．ｃｏｍ㊂∗通信作者：王海洋，研究员，博士，研究方向为植物分子生物学和农业生物技术㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｗａｎｇｈａｉｙａｎｇ＠ｃａａｓ．ｃｎ我国生物技术育种现状与发展趋势康㊀乐１，㊀王海洋２∗（１．国家作物分子设计工程技术研究中心，北京１０００８５；２．中国农业科学院生物技术研究所，北京１０００８１）摘㊀要：生物育种是现代农业史上应用推广最迅速的技术，并已在全球范围内产生了巨大的社会㊁经济和生态效益㊂然而目前我国主要农作物的品种选育仍停留在以表型选择为主的传统育种模式㊂这种经验育种不仅周期长而且品种改良进度缓慢，难以满足我国强劲的经济发展需求㊂而生物育种技术突破了传统育种技术的种种局限，使农作物育种变得更精确㊁更高效㊁更可控且可预见，可促进实现中国主要作物由 经验育种 向 精确育种 的战略性转变，有利于加速培育高产㊁优质㊁抗逆㊁广适的作物新品种㊂着重介绍了转基因㊁分子标记辅助选择㊁分子设计和智能不育这四种生物技术在水稻和玉米两大作物育种中的应用现状与发展趋势，可为我国农业和科技管理部门㊁生物技术工作者㊁育种家和种业企业提供参考㊂关键词：生物育种；转基因育种；分子标记辅助选择育种；分子设计育种；智能不育杂交制种技术ｄｏｉ：１０．１３３０４／ｊ．ｎｙｋｊｄｂ．２０１４．０２９中图分类号：Ｑ７８９㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００８⁃０８６４（２０１４）０１⁃００１６⁃０８ＳｔａｔｕｓａｎｄＰｒｏｓｐｅｃｔｏｆＡｇｒｏｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ⁃ｂａｓｅｄＢｒｅｅｄｉｎｇｉｎＣｈｉｎａＫＡＮＧＬｅ１，ＷＡＮＧＨａｉ⁃ｙａｎｇ２∗（１．ＮａｔｉｏｎａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＣｒｏｐＭｏｌｅｃｕｌａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８５；２．ＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇｒｏｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ⁃ｂａｓｅｄｂｒｅｅｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｈａｖｅｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｉｚｅｄｔｈｅｍｏｄｅｒｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐａｃｔｅｄｔｈｅｓｏｃｉｅｔｙ，ｅｃｏｎｏｍｉｃｓａｎｄｅｃｏｌｏｇｙｏｎａｇｌｏｂｅｓｃａｌｅ．Ｎｅｖｅｒｔｈｅｌｅｓｓ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｈｅｎｏｔｙｐｅ⁃ｂａｓｅｄｂｒｅｅｄｉｎｇｉｓｓｔｉｌｌｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｍｅｔｈｏｄｕｓｅｄｉｎｃｒｏｐｂｒｅｅｄｉｎｇｉｎｃｈｉｎａｎｏｗａｄａｙｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｏｕｒｒａｐｉｄｓｏｃｉａｌａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ａｇｒｏｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ⁃ｂａｓｅｄｂｒｅｅｄｉｎｇｃａｎｂｒｅａｋｄｏｗｎｔｈｅｂａｒｒｉｅｒｓａｎｄｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｂｒｅｅｄｉｎｇａｎｄｆａｃｉｌｉｔａｔｅｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｒｏｍ ｅｍｐｉｒｉｃａｌｂｒｅｅｄｉｎｇ ｔｏ ａｃｃｕｒａｔｅｂｒｅｅｄｉｎｇ ，ｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｂｅｉｎｇｍｏｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅａｎｄｐｒｅｄｉｃｔａｂｌｅ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｍａｄｅｗｉｔｈｆｏｕｒａｇｒｏｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄｂｒｅｅｄｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｒａｎｓｇｅｎｉｃ⁃ｂａｓｅｄｂｒｅｅｄｉｎｇ，ｍｏｌｅｃｕｌａｒｍａｒｋｅｒ⁃ａｓｓｉｓｔｅｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｂｒｅｅｄｉｎｇ，ｂｒｅｅｄｉｎｇｂｙｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｔｈｉｒｄ⁃ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｈｙｂｒｉｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｒｉｃｅａｎｄｍａｉｚｅ，ｔｗｏｍａｊｏｒｃｒｏｐｓｉｎＣｈｉｎａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｇｒｏｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂａｓｅｄ⁃ｂｒｅｅｄｉｎｇ；ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃａｐｐｒｏａｃｈ⁃ｂａｓｅｄｂｒｅｅｄｉｎｇ；ｍｏｌｅｃｕｌａｒｍａｒｋｅｒ⁃ａｓｓｉｓｔｅｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｂｒｅｅｄｉｎｇ；ｂｒｅｅｄｉｎｇｂｙｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｅｓｉｇｎ；ｔｈｅｔｈｉｒｄ⁃ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｈｙｂｒｉｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀㊀ 民以食为天 ，且当今世界粮食已由简单的食品物资上升为国家战略物资，粮食安全始终关系我国国计民生㊂我国以世界７％的耕地养活了２５％的人口，人多地少和不可逆转的粮食刚性需求㊁水资源匮乏㊁生物能源竞争等负向因素使我国农产品供给面临巨大的挑战㊂ 农以种为先 ，种子是农业产业发展的首要环节和重要载体，是国内外农业产业竞争的源头和焦点㊂据联合国粮农组织统计，今后全球粮食总产量增长８０％贡献率需依赖提高单产，而单产提高６０％ ８０％贡献率需依赖良种［１］，因此，加快育种进程势在必行㊂自古以来，人们采用传统育种方法（如轮回选择㊁杂交选育㊁聚合育种㊁回交转育以及２０世纪７０年代以来推广的杂种优势利用等）改良作物性状，获得了巨大的成就，然而由于受到育种材料遗传背景狭窄㊁生殖屏障无法跨越㊁选择效率低下等多种因素约束，近年来我国水稻㊁玉米㊁小麦等重要作物的品种选育工作已进入了平台阶段［２］㊂２０世纪中叶以来，分子生物学的发展催生的生物育种技术突破了传统育种技术的种种局限，使农作物育种更精确㊁更高效㊁更可控且可预见㊂本文着重介绍近年来几种主要生物育种技术，包括转基因育种（ｔｒａｎｓｇｅｎｉｃａｐｐｒｏａｃｈ⁃ｂａｓｅｄｂｒｅｅｄｉｎｇ）㊁分子标记辅助选择育种（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｍａｒｋｅｒ⁃ａｓｓｉｓｔｅｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｂｒｅｅｄｉｎｇ，ＭＡＳ）㊁分子设计育种（ｂｒｅｅｄｉｎｇｂｙｍｏｌｅｃｕｌａｒｄｅｓｉｇｎ）以及智能不育杂交制种技术（ｔｈｅｔｈｉｒｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｈｙｂｒｉｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）在水稻和玉米中的发展与应用㊂１　转基因育种与传统育种方法相比，转基因技术可针对目标性状精确改良，不仅省时而且可打破物种的界限，充分利用遗传资源㊂转基因育种已由１９８３－１９９３年的技术成熟期（１９８３年首例转基因植物培育成功）经１９９４－２００５年的产业发展期（转基因抗虫㊁抗除草剂产品进入商业化）进入到了目前的战略机遇期（２００６年商业化种植面积超过１亿ｈｍ２）㊂根据国际农业生物技术服务组织（ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｅｒｖｉｃｅｆｏｒｔｈｅＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆＡｇｒｉ⁃ｂｉｏｔｅｃｈＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＩＳＡＡＡ）发布的最新统计数据，全球转基因作物种植总面积继续保持增长，２０１２年较２０１１年增长了６％，达１．７０３亿ｈｍ２，相当于我国耕地面积的１．４倍㊂１９９６－２０１２年，全球转基因作物种植面积增长了近１００倍，由当初的１７０万ｈｍ２增至１．７亿ｈｍ２，转基因技术已成为现代农业史上应用推广速度最快的技术，在减少农药施用㊁降低病虫害损失㊁改善环境㊁降低劳动成本方面取得了巨大的效益㊂目前全世界８１％的大豆㊁８１％的棉花㊁３５％的玉米㊁３０％的油菜是转基因品种㊂从１９９６年至２０１１年的１６年间，全球因种植转基因抗病虫㊁抗除草剂的作物增产价值达９８２亿美元，相当于节约了１．０８７亿ｈｍ２的耕地，改善了１５００万农户和近５０００万贫困农民的生计，减少了４．７３亿ｋｇ化学农药的使用［３，４］㊂正因如此，３名转基因作物技术先驱被授予了２０１３年世界粮食奖［５］㊂截止到２０１２年底，全球已有５９个国家或地区使用／种植了转基因作物㊂其中，２８个国家许可种植，这些国家共批准了２４９７项转基因作物用于种植生产（涉及２５个作物３１９个转化体）㊂就作物而言，主要为大豆㊁棉花㊁玉米和油菜，分别占全球相应作物种植面积的７７％㊁５０％㊁２５％和２０％；就性状而言，主要有２个性状，分别是抗除草剂性状（转５⁃烯醇式丙酮酰莽草酸⁃３⁃磷酸合酶基因即ＥＰＳＰＳ基因）和抗虫性状（转苏云金芽胞杆菌伴胞晶体蛋白基因即Ｂｔ基因）［３］㊂我国已批准转基因大豆㊁玉米㊁棉花和油菜籽４种作物的进口安全证书，这些转基因作物在我国可用作饲料和食品加工原料，但尚不允许在中国境内商业化种植（棉花除外）㊂经过近２０年的努力，我国目前已初步形成了从基础研究㊁应用研究到产品开发完整的转基因作物研发体系，已成为全球为数不多的㊁真正拥有转基因生物自主研发能力的国家之一㊂至今，我国已发放了７种植物生产应用安全证书（生产应用），包括耐贮藏番茄㊁抗虫棉花㊁改变花色矮牵牛㊁抗病辣椒（甜椒㊁线辣椒）㊁抗病番木瓜㊁抗虫水稻和转植酸酶基因玉米［６］㊂其中，抗虫棉的选育和应用在我国获得了极大成功㊂至２００８年，国审抗虫棉品种超过了７０个，省审抗虫棉品种超过了１００个，累计种植面积达到了２４００万ｈｍ２，社会经济效益超过了５００亿元㊂国产抗虫棉份额从１９９９年的７％上升到了２００６年的８２％［７］，到２０１０年，我国拥有自主产权的抗虫棉市场分额已占９３％［８］㊂此外，我国拥有自主知识产权的转植酸酶基因玉米可降低环境中４０％的磷污染，提高饲料养分利用率高达３０％，该技术也成为我国农业生物技术发展的标志性成果之一㊂上述转化体均依据我国和国际转基因作物安全评价原则和相关操作规范进行了科学㊁严格的安全性评价，其环境与食用安全性均可以得到保障㊂虽然我国政府对转基因技术及产品向来持以 加快研究㊁推进应用㊁规范管理㊁科学发展 的明确态度，但是由于社会舆论㊁公众接受程度㊁国际贸易等因素致使我国转基因作物生产应用步伐迟缓，至今尚未批准一些主要转基因农作物（玉米㊁水稻㊁小麦㊁大豆及油菜等）的商业化种植，这与７１１期康乐等：我国生物技术育种现状与发展趋势我国转基因产品消费大国的现状是极不相称的㊂从国家粮食安全角度讲，如果一味抵制转基因技术，将会为了保证粮食自给而不得不放弃油料和棉花等一大批作物的安全，这是国家粮食战略的危险信号㊂我国２００３年开始进口大豆，并逐年增多㊂２０１２年我国进口大豆多达５８３８万ｔ［９］，占国内大豆消费总量的８０％，且这些进口的大豆几乎全部为转基因大豆㊂按公顷产量折算，５８３８万ｔ大豆需要２６６７万ｈｍ２土地来生产（作为参照，我国水稻种植总面积为２９３３万ｈｍ２）㊂据中国海关统计，２０１０年我国首次批准进口１７５万ｔ转基因玉米，据海关信息网查询信息，２０１３年前１１个月增至５２０．７万ｔ（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａｉｇｕａｎ．ｉｎｆｏ／ｏｎｌｉｎｅｓｅａｒｃｈ／ＴｒａｄｅＳｔａｔ／ＳｔａｔＣＯＭＳｕｂ．ａｓｐｘ？ＴＩＤ＝１）㊂据统计２０２０年中国人口将达到１４．５亿，如按人均需求量２００ｋｇ计算，届时玉米需求总量将达２．９亿ｔ，而我国目前玉米产量尚不足２ １亿ｔ㊂填补或缩小玉米供求的缺口唯有通过提高单产来解决，因此有专家呼吁应大力推进转基因玉米的研发与应用，勿让玉米成为 大豆第二 ［１０］㊂２　分子标记辅助选择育种传统育种主要是对表型进行选择，常受环境影响或因不易判断而产生鉴定偏差，育成一个新品种需要丰富的经验与长达数年甚至十几年的时间㊂２０世纪８０年代以来越来越多的ＤＮＡ分子标记被开发并被逐步应用于品种选育㊂ＭＡＳ育种的本质是通过与目标性状紧密连锁的（或目标性状基因序列本身的）分子标记进行选择从而达到选择目标性状的目的㊂第一代分子标记以分子杂交为基础，如限制性片段长度多态性（ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｆｒａｇｍｅｎｔｌｅｎｇｔｈｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍｓ，ＲＦＬＰ）标记；第二代分子标记是以聚合酶链式反应（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅｃｈａｉｎｒｅａｃｔｉｏｎ，ＰＣＲ）为基础，如简单序列重复（ｓｉｍｐｌｅｓｅｑｕｅｎｃｅｒｅｐｅａｔｓ，ＳＳＲ）标记；第三代是以生物信息学和基因组序列信息为基础，如单核苷酸多态性标记（ｓｉｎｇｌｅｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍｓ，ＳＮＰ）和单核苷酸特征多态性（ｓｉｎｇｌｅｆｅａｔｕｒｅｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ，ＳＦＰ）㊂目前ＳＮＰ以其位点丰富㊁检测通量高且成本低廉等优点，倍受育种家和科学家的青睐［１１］㊂与传统育种过程相比，ＭＡＳ育种具有如下优点：①传统育种过程是对农艺性状进行选择的过程，这些性状多为数量性状，受多位点控制，且受环境影响大㊂而ＭＡＳ是在ＤＮＡ水平的选择，不受环境影响；②ＭＡＳ不受作物发育阶段影响，可在作物的任何生长发育阶段（甚至种子阶段）进行操作，不必等到成熟时或发病时选择，大大加速了育种进程；③分子标记选择的判别方式为 是 与 否 ，与离散的㊁模糊的数量性状选择相比，该优势更为突出㊂尤其是功能标记可对目标基因或数量性状位点（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｔｒａｉｔｌｏｃｕｓ，ＱＴＬ）进行直接选择，不受育种过程中目标性状ＱＴＬ／基因与标记间遗传重组的影响，由此可大大提高选择的效率和准确性㊂ＭＡＳ技术首先要定位与特定农艺性状相关的ＱＴＬ／基因，可采用连锁作图（ｌｉｎｋａｇｅｍａｐｐｉｎｇ）㊁关联作图（ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｍａｐｐｉｎｇ）或两种方法相结合来实现㊂传统的定位群体主要有导入系（ｉｎｔｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎｌｉｎｅ，ＩＬ）和重组自交系（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｎｔｉｎｂｒｅｄｌｉｎｅ）群体，通过连锁作图的方法可有效地将受多个基因控制的复杂重要农艺性状分解为一系列的单基因，也可以快速鉴定不同遗传位点的单倍型（ｈａｐｌｏｔｙｐｅ），并建立特定农艺性状与分子标记／基因之间的对应关系［１２，１３］㊂近来关联作图即连锁不平衡作图（ｌｉｎｋａｇｅｄｉｓｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｍａｐｐｉｎｇ）已越来越多被应用于作物遗传作图和复杂性状的分析㊂与连锁作图相比，关联作图无需构建作图群体，分辨率较高且投入相对较低，特别是在有高通量基因型鉴定平台辅助时该方法优势更加突出［１４，１５］㊂如韩斌团队利用全基因组关联研究（ｇｅｎｏｍｅ⁃ｗｉｄｅａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｓｔｕｄｙ，ＧＷＡＳ）发拙了数十个与抽穗期和籽粒性状相关的新位点［１６，１７］，显示了该方法的高效性㊂关联作图与连锁作图结合进一步提高ＱＴＬ／基因发掘的效率㊂如Ｌｉ等［１８，１９］针对不同复杂性状（抗生物胁迫和非生物胁迫），采用选择导入的方法，在３个优良遗传背景中构建了２０００个的水稻选择导入系，利用这些导入系，结合关联作图和连锁作图，不仅定位了与抗旱㊁高产等复杂性状相关的位点，而且分析了各位点间复杂的网络互作关系㊂又如Ｙｕ等［２０］结合连锁作图和关联作图，利用５０００个基因型对玉米全基因组进行了研究，显示了该分析方法在复杂性状剖析方面强大的优越性㊂８１中国农业科技导报１６卷近十多年来，水稻生物学及功能基因组学研究均取得了长足进展，现已分离或分析了近９００个与农艺性状相关的基因／ＱＴＬ，这些基因／ＱＴＬ涉及多个方面，包括根系结构形成的分子基础，叶的结构㊁大小㊁形状㊁卷曲㊁与茎的夹角性状，根发育和营养，抽穗期和穗发育调节，繁殖和育性调节，种子发育㊁种子型状和种皮形成的调节机制，籽粒品质控制因素，病㊁虫害抗性，对非生物胁迫的耐受性，以及对水稻基因组结构进化及调节的研究等㊂这些信息已经或将在今后ＭＡＳ育种或水稻分子设计育种中发挥重要作用［２１］㊂与目标性状相关联的ＱＴＬ／基因分离出以后，可通过标记辅助回交将其转育至优良背景中，即在标记辅助回交过程中，利用已知的标记选择含有最大比例的轮回亲本基因组和最小限度的供体染色体片段的回交后代㊂以往回交育种过程中，回复轮回亲本基因组需要回交８代，而标记辅助回交可将回交代数减少至３代就可获得理想个体［２２］㊂ＭＡＳ目前已成功应用于水稻白叶枯病和稻瘟病育种［２３ ２８］㊂大规模的分子标记辅助轮回选择也已广泛应用于玉米的商业化育种中［２８］㊂３　分子设计育种在分子标记辅助育种的基础上，随着近年来大量基因组序列数据㊁高通量基因型和植物表型鉴定技术的发展，众多重要性状功能基因的发掘，以及对分子标记与目标性状关系的深入了解进一步催生了设计育种的概念［２９］，即育种家可以根据需要 ｉｎｓｉｌｉｃｏ 设计出理想基因型的品种㊂分子设计育种在新基因挖掘㊁定向引入／改良目标性状㊁创制新种质材料㊁改造亲本材料㊁缩短育种年限㊁提高选择准确度㊁提高杂种优势利用率等方面具有传统育种方法不可比拟的优越性㊂要实现设计育种，首先需要了解控制目标性状的所有位点㊁基因的加性效应以及位点间的互作关系，以便育种家可以按育种目标设计包含所有优良等位基因组合的基因型，再使用标记对含有期望等位基因组合的重组个体进行准确地选择㊂分子设计育种省去了冗重的表型选择过程，优秀的株系仅需在最后阶段进行田间鉴定，从而可大大提高育种效率［２９］㊂近十多年来，许多作物如水稻㊁杨树㊁高粱㊁玉米和大豆的全基因组测序工作已完成［３０ ３４］㊂新兴的下一代测序技术（ｎｅｘｔ⁃ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ，ＮＧＳ）［３５］和高通量的ＳＮＰ标记检测平台的迅速发展，为实现一些作物（如水稻㊁玉米㊁大豆等）的分子设计育种提供了可行性㊂如Ｉｌｌｕｍｉｎａ公司的ＳＮＰ芯片平台（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｌｌｕｍｉｎａ．ｃｏｍ），Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ公司的ＳＮＰ芯片平台（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ．ｃｏｍ），ＧｅｎｏｍｅＬａｂ公司的ＳＮＰ基因型鉴定系统（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｂｅｃｋｍａｎｃｏｕｌｔｅｒ．ｃｏｍ）以及ＴａｑＭａｎＯｐｅｎＡｒｒａｙ基因型鉴定系统（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｐｐｌｉｅｄｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ．ｃｏｍ）㊂其中Ｉｌｌｕｍｉｎａ和Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ的ＳＮＰ检测体系应用广泛㊂育种家可根据研究与育种目标选择不同密度的芯片㊂低密度ＳＮＰ芯片操作灵活，适合调查大批量种质资源的遗传多样性或鉴定早代育种材料的基因型㊂如Ｉｌｌｕｍｉｎａ公司的ＢｅａｄＸｐｒｅｓｓＲｅａｄｅｒ系统中Ｖｅｒａｃｏｄｅ和ＧｏｌｄｅｎＧａｔｅ技术联合使用每次可检测４８㊁９６㊁１９２或３８４个标记，短时间内可检测上万个样品，准确且低耗［３６ ３９］㊂Ｉｌｌｕｍｉｎａ公司ＧｏｌｄｅｎＧａｔｅＳＮＰＢｅａｄａｒｒａｙ提供的中等密度分辨率ＳＮＰ芯片（如１５３６⁃ＳＮＰＧｏｌｄｅｎＧａｔｅａｒｒａｙ）曾用于５个主要的水稻亚群体之内和之间的多态性分析［４０］㊂另一项研究利用一套含２６８８个ＳＮＰ标记的芯片鉴定了１５０年来日本水稻栽培品种的基因型［４１］㊂高密度的芯片可一次性检测同一个样品中的几万至几百万个ＳＮＰ［４２］㊂另有科学家利用Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ公司专为水稻设计的高分辩率的芯片对全球收集的野生稻和栽培稻开展全基因组遗传变异分析［４３］，高密度的ＳＮＰａｒｒａｙ也可用于回交育种，除了对目标基因进行选择，也可用于选择最小导入片段，从而去除供体亲本带来的不良性状即连锁累赘（ｌｉｎｋａｇｅｄｒａｇｓ），从而极大地提高轮回亲本基因组的回复效率［４４］㊂近来，我国北京大学㊁华中农业大学㊁中国种子集团和深圳作物分子设计育种研究院的科学家从８０１个水稻品种重测序数据中筛选出超过１０００万个ＳＮＰ位点，以这些ＳＮＰ为基础筛选设计ＳＮＰ探针，并基于ＩｌｌｕｍｉｎａＩｎｆｉｎｉｕｍ平台设计了高密度的ＳＮＰ标记芯片 ＲｉｃｅＳＮＰ５０ ㊂该芯片载有５１４７８个分布均匀的ＳＮＰ标记（６８％位于基因序列内部），其中有８５７５个标记与已知农艺性状相关㊂ＲｉｃｅＳＮＰ５０芯片可用于品种身份鉴定㊁单倍型（ｈａｐｌｏｔｙｐｅ）分析㊁目标性状转育及高通量９１１期康乐等：我国生物技术育种现状与发展趋势鉴定基因型，也可按育种目标设计含有期望的基因组单倍型［４５，４６］㊂Ｉｌｌｕｍｉｎａ公司㊁法国农业科学研究所和先正达公司根据Ｂ７３与其他玉米品种基因组序列比较检测获得了数以百万的ＳＮＰ位点［４７］，并在此基础上开发了玉米基因型检测芯片ＭａｉｚｅＳＮＰ５０㊂ＭａｉｚｅＳＮＰ５０芯片载有５６１１０个ＳＮＰ标记，目前已被广泛应用于全基因组基因型鉴定㊁遗传变异分析㊁遗传作图和标记辅助育种［４８］㊂由于ＭａｉｚｅＳＮＰ５０芯片仅取自于２７份北美玉米自交系的测序信息，这些品种与中国现代玉米育种材料有较大遗传背景差别，致使许多ＳＮＰ位点不能有效鉴定国内品种的基因型㊂为此，未名兴旺系统作物设计前沿实验室（北京）有限公司和中国农业大学国家玉米改良中心的研发人员广泛收集了７００多个玉米现代核心自交系（Ｍｏｄｅｒｎｅｌｉｔｅｉｎｂｒｅｄｌｉｎｅｓ）进行重测序，从测序数据中筛选出９００００个在基因组上平均分布的高质量ＳＮＰ位点，开发了玉米ＳＮＰ芯片 Ｍａｉｚｅ９０ｋ ㊂该套芯片有以下几个突出优点：①７００份玉米品种于全球收集，包含４７０份中国品种与２３０份美国品种，涵括了主要的玉米核心种质和几大玉米杂种优势群且有重要的育种价值和研究价值；②具有目前最全面的玉米ＳＮＰ数据集合，包含了ＨａｐＭａｐ２中的ＳＮＰ㊁７００份玉米重测序数据中所有的ＳＮＰ，以及Ｂ７３和Ｍ１７序列信息；③以７００份玉米品种的基因型为核心，选择在７００份玉米品种中均能检测到的ＳＮＰ位点，通过生物信息学方法，考虑低等位基因频率（ｍｉｎｏｒａｌｌｅｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＭＡＦ）㊁遗传连锁距离㊁基因相对位置等等因素，在玉米基因组每１００ｋｂ内挑选至少４个最优的ＳＮＰ，因此最具代表性；④９００００个ＳＮＰ中，有６１．６％位于基因区域，标记包含大量农艺性状相关基因的信息㊂选取已定位的６２１个玉米基因，每个基因上设计２ ５个ＳＮＰ位点，对育种实践有极高的应用价值㊂因此，Ｍａｉｚｅ９０ｋ芯片在今后玉米育种工作中将具有广阔的应用前景（邓兴旺，个人通讯）㊂需要强调指出的是在设计育种过程中，建立分子标记与目标性状的关联性是实现该技术的关键㊂目前ＬｅｍｎａＴｅｃ公司已开发了 全自动高通量植物３Ｄ成像系统Ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ３Ｄ （下文简称 Ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ３Ｄ ）㊁ 实验室高通量植物成像系统ＳｃａｎａｌｙｚｅｒＨＴＳ ㊁和 基础型植物成像系统ＳｃａｎａｌｙｚｅｒＰＬ 用于高通量植物表型分析㊂其中， Ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ３Ｄ 系统结合了温室自动化㊁高通量成像㊁成像分析和大规模计算能力，可对大量植株进行３Ｄ高通量成像，从而可对植株表型（如植物的结构㊁宽度㊁密度㊁对称性㊁叶长㊁叶宽㊁叶面积㊁叶角度㊁叶颜色㊁叶病斑㊁种子颜色等）和生理性状（如植物的水分分布状态㊁胁迫生理学根系和土柱中水分分布情况等）进行监控（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｅｍｎａｔｅｃ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ⁃ｐｌ）㊂由于所有植物都通过条形码或射频标记，可对其整个生活史不同阶段所有表型数据定期测量，因此在遗传育种㊁突变株筛选㊁表型和生理性状筛选工作中具有极大的研究价值㊂率先使用 Ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ３Ｄ 系统的是各跨国公司㊂如先锋良种国际有限公司从２００５年开始运转一套能传送１５００盆植株的系统；巴斯夫公司于２００６年建立了一套能传送８００盆植株的Ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ３Ｄ系统；拜耳作物科学公司于２０１０年底建成了可传输１２００盆植株的系统（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚｅａｌｑｕｅｓｔ．ｃｏｍ／）；近来，若干公共研究机构相继建立了Ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ３Ｄ设备，并向全球科学家开放使用，如澳洲植物表型组学机构（ＡｕｓｔｒａｌｉａｎＰｌａｎｔＰｈｅｎｏｍｉｃｓＦａｃｉｌｉｔｙ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｌａｎｔｐｈｅｎｏ⁃ｍｉｃｓ．ｏｒｇ．ａｕ／）和欧洲植物表型鉴定网络等（ＥｕｒｏｐｅａｎＰｌａｎｔＰｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇＮｅｔｗｏｒｋ，ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｌａｎｔ⁃ｐｈｅｎｏｔｙｐｉｎｇ⁃ｎｅｔｗｏｒｋ．ｅｕ／ｅｐｐｎ／ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）㊂近来中国农业科学院生物技术研究所也设立了 Ｓｃａｎａｌｙｚｅｒ３Ｄ 系统并已开展高通量植物表型分析研究㊂４　智能不育杂交制种技术由于杂交引起基因间重组，杂交后代在双亲优良等位基因的加性效应和互作效应下表现出超亲表型，从而显著提高作物的产量和抗性㊂近几十年来，以杂种优势利用为核心的育种方法是近代最重要的作物育种方法㊂玉米是杂种优势利用最早且在全球推广最成功的作物㊂玉米是雌雄异花作物，杂交种生产时需要在母本雄穗刚露出时将其拔除，有效控制母本自花授粉是获得高纯度杂交Ｆ１种子的关键环节㊂目前国内外玉米杂交制种去雄主要采用人工的方法，不仅制种成本高，而且去雄不彻底，难以０２中国农业科技导报１６卷保证种子纯度㊂中国自１９７３年先后推广 三系和 两系 杂交稻以来，使中国水稻增产了２０％以上［４９］㊂然而目前我国水稻生产占主导地位的 三系法 （第一代杂交育种技术）和 两系法 （第二代杂交育种技术）存在各自的瓶颈问题㊂ 三系杂交体系需要特定的不育系㊁保持系和恢复系配套才能实现不育系的繁殖及杂交种生产，种质资源利用率极低（＜５％）㊂而 两系法 的不育系易受环境中光㊁温的影响，存在制种风险，影响了 两系 法的推广㊂为了克服作物杂交制种的上述技术瓶颈，人们一直在探索利用隐性核不育资源㊂相对于质－核互作不育而言，隐性核不育的不育性稳定且任何自交系／品种均可作为其恢复系㊂尽管国内外学者已分离了一些隐性核不育材料，但因难以保持和扩繁而无法在杂交育种中直接应用㊂针对隐性核雄性不育材料难以繁殖的问题，ＰｌａｎｔＧｅｎｅｔｉｃＳｙｓｔｅｍ公司于１９９３年提出了一种技术思路：在纯合的雄性不育植株中转入连锁的育性恢复基因㊁花粉失活基因和筛选标记基因，所获得的转化体是该雄性不育植株的保持系，此保持系自交可以实现不育系和保持系的繁殖㊂该方法利用精确的分子设计解决了隐性核雄性不育基因及不育材料的应用问题，为开展分子设计杂交育种提供了新的思想［５０］㊂基于上述思路，近年来美国杜邦先锋公司开发了一种新型杂交种子生产技术 ＳＰＴ（ｓｅｅｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），综合利用了转基因技术㊁荧光蛋白筛选技术和花粉失活技术策略，有效地解决了玉米隐性核雄性不育系的保持和繁殖问题［５１］㊂其设计思路是利用现代生物技术，将玉米花粉育性恢复基因㊁花粉失活基因和红色荧光蛋白标记基因组合在一起构建遗传转化载体，通过转基因技术导入到玉米隐性核雄性不育系中，该转基因株系自交后，产生５０％的不育系种子（非红色荧光种子）和５０％的保持系种子（红色荧光种子），通过机械色选技术有效地将两部分种子分离，正常颜色种子可以繁殖为不育系，用于玉米杂交育种和杂交制种；红色荧光种子自交可源源不断地产生其本身和正常颜色不育系种子，从而实现一系两用的目的㊂目前用该技术生产的玉米已在美国作为非转基因种子进入商业化生产（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｐｈｉｓ．ｕｓｄａ．ｇｏｖ／ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／ｐｅｔｉｔｉｏｎｓ＿ｔａｂｌｅ＿ｐｅｎｄｉｎｇ．ｓｈｔｍｌ）㊂２０１０年在科技部８６３计划专项资助下，我国科学家率先证实了该技术思想在水稻中的可行性，并命名为 智能不育杂交制种技术 ㊂这项技术攻克了长期制约我国杂交水稻生产的瓶颈问题，即 三系 杂交稻亲本狭窄和 两系 不育系育性不稳定问题［５２］㊂通过ＭＡＳ回交转育可将智能不育位点和隐性核不育位点引入到优良常规品种㊁现有 三系 不育系或 两系 不育系中，将其快速改造成新的智能不育系［５３］㊂与以往杂交育种和转基因育种相比，智能不育技术有如下几个方面的优势：①智能不育系不育性稳定，不受环境影响，保障了杂交种纯度及制种安全；②配组自由，可以大大提高杂种优势的资源利用率；③智能不育系不育性状遗传行为简单，不受遗传背景影响，易于开展优良性状的聚合育种，快速选育出优质㊁高产㊁多抗㊁广适的杂交组合，有利于扩大杂交种适应区域；④育性恢复基因与花粉失活基因紧密连锁，不仅阻断了转基因成分通过花粉漂移，而且实现了用转基因手段生产非转基因不育系种子和杂交稻种子㊂该技术体系被杂交水稻之父袁隆平院士称为 第三代杂交水稻育种技术 ㊂该技术体系对未成功应用 三系法 和 两系法 的作物（小麦㊁棉花㊁油菜等）开展杂种优势利用也提供了理论和技术依据，预期将成为未来我国农作物杂种优势利用和杂交制种的先导性技术之一㊂５　结语与展望从全球范围来看，生物技术育种目前已进入以抢占技术制高点与经济增长点为目标的战略机遇期，围绕人才㊁基因㊁技术和市场的国际竞争日趋白热化㊂虽然近年来我国在分子生物学和基因组学方面的研究成就斐然，但我国生物育种产业的整体实力与跨国公司相比尚有很大差距㊂目前大多数植物转基因关键技术和方法的知识产权都由美国和欧洲国家掌握，而且国外种业巨头如美国杜邦先锋㊁孟山都㊁圣尼斯公司及瑞士先正达种子公司已纷纷落户中国并成立研发中心，对我国的人才市场㊁生物资源㊁知识产权以及农业生物产业市场展开了激烈争夺㊂在如此严峻的国际形势下，我国必须加快生物育种技术自主创新与应用，１２１期康乐等：我国生物技术育种现状与发展趋势。