林木分子育种发展现状与美国林业发展现状简析

林木分子育种发展现状与美国林业发展现状简析

摘要：

森林是地球之肺，也是人类生活离不开的一部分，具有极高的生态与经济价值。林木遗传改良在森林资源可持续发展中起到关键作用,而其中现代分子技术的应用也为之带来了新的机遇和挑战。近年来, 林木生物技术研究取得了重要突破,显示出独特的优势和巨大的发展潜力。转基因林木的遗传稳定性在田间试验中得到验证,遗传基因组学和关联遗传学的发展也为进一步深入开展林木遗传改良研究提供了新思路。杨树全基因组测序计划的完成实现了多年生木本植物基因组的首次破译,已经开启林木分子育种的新时代。本文将对当前林木遗传改良中的分子生物学研究进展,遗传基因组学和关联遗传学策略在林木育种中的应用与林木分子生物学研究中亟需解决的问题和应用前景进行简略讨论。

同时，美国作为世界上的林业大国，美国的森林主要分布在3个地区。在西部的落基山脉到太平洋沿岸，以针叶林为主，主要树种有北美黄杉、西黄松、加州山松、恩氏云杉和科罗拉多冷杉。本文将对其林业资源、林业科技、林业管理、林业产业发展等方面进行简略介绍。并针对林业教育进行略为深入的分析。

关键词：

林木分子育种；遗传基因组学; 关联遗传学；林木基因转化；美国高等教育；林业教育

正文：

一、林木分子育种发展现状简析

林木生长周期长，要培育出具有满足现代林业生产需求的林木新品种，利用传统育种方法，很难在短期内实现育种目标林木由于自身固有的一些生物学特性，遗传操作困难，导致林木遗传育种基础研究比较薄弱，导致林木遗传育种在基础研究方面远远滞后于模式动植物和其他重要作物，成为林木遗传改良进程的主要限制因素。分子育种是突破林木育种周期

长的关键技术，通过基因组学研究，分析和阐明林木基因的功能是进行林木分子育种设计的前提。

1、分子标记发展历程：

我们在林木遗传育种的课程上已经了解过的分子育种技术主要是各种分子遗传标记。第一类是基于DNA-DNA杂交的DNA标记。其中最具代表性的就是RFLP标记，常常被称为第一代分子标记。第二类为基于PCR的DNA标记。主要包括RAPD标记与SSR标记。其中SSR被称为第二代分子标记。第三类是基于PCR与限制性内切酶切技术结合的DNA标记，如AFLP 与CAPS标记。第四类为基于简单核苷酸多态性的DNA标记，如SNP标记被称为第三代分子标记的代表。目前的SNP标记一般通过DNA芯片技术进行分析 [1]。

2、测序技术发展历程：

基因组的杂合度较高、基因组较大，且多数发生过基因组的复制，遗传背景不清晰，这些瓶颈限制了林木全基因组测序研究的进程。2000年，人们完成了拟南芥全基因组测序，这是人类完成的第一个植物全基因组测序。此后，2006年完成了毛果杨全基因组测序。此后又相继完成了葡萄、番木瓜、苹果、桃树和麻风树的全基因组测序。

在这些研究如火如荼地展开的同时，我们不应该忘记测序技术的迅猛发展[2]。经历了建立在PCR之上的第一代Sanger测序法和第二代合成测序法后，第三代单分子测序技术具有高通量、低成本的特点。第一代测序技术早已经投入规模化商业运营，其有测序读长较长、测序精度高的优点，但成本高、耗时长。第二代测序技术降低了成本，提高了测序速率。但存在较高的误差。第三代测序技术在测序过程中，省略了扩增的步骤，极大提高了测序速度，往往就是两三天即可完成样本的测序，测序读长较长，精度非常高，并且能同时进行多个样品分析，但是目前仅在部分高新生物科技公司中开展，其规模化推广尚需要时日。三代的测序技术特点如下表。于近日，学术界中有人声称已经开发出第四代测序技术，将会使得测序技术更快、更准、成本更低。

3、毛果杨全基因组测序研究及结果利用：

已经测序的毛果杨( Populus trichocarpa ) 的基因组为480 Mb，属于中等大小基因组物种。杨树生长迅速, 易于进行常规育种和遗传转化等研究的实验操作，已通过种间杂

交建立了遗传作图群体。综合分析了杨属基因组数据，开发了各种分子标记[3]，为现在正在进行或将来要进行的其他重要树种的基因组结构、功能、进化、遗传改良研究提供了扎实的基础。获得杨树全基因后，各个课题组以不同基因为单位，进行了单核苷酸多态性分析等研究，已经鉴定出杨树纤维素合成相关基因[4]和木质素合成酶基因[5]。

4、林木分子育种展望：

目前基于全基因组测序开展的研究多为以下方面：

1）开展木本植物重要性状相关基因的发现、克隆、功能分析与进化分析，例如控制开花、木材形成、树木生长习性、休眠、耐寒力、病虫害抗性、果实发育、果实性状与品质等

相关基因[6]。

2）进行比较基因组学研究，分析物种间的起源与进化[7]。

3）应用NGS获得木本植物全基因组结果制作基因芯片，为特定时间内基因表达的时空性提供信息。

4）提供了大量的SSRs和SNPs等分子标记，利于高密度遗传图谱和物理图谱构建，加速分子标记与优良性状的连锁研究。

5）全基因组测序结果上，进行同种木本植物不同时期、不同组织，野生型与突变体，未胁迫处理和各种胁迫处理之间的转录组学、代谢组学、蛋白质组学等的研究。

开展林木分子育种，首先需要深入研究木本植物特有的重要性状形成的遗传和分子基础，并建立高效的林木未知基因克隆体系，快速克隆一批有利用价值的新基因; 其次需要发展高效的分子标记育种转基因育种和分子设计育种新技术，突破复杂性状遗传改良上的技术瓶颈。那些在草本模式植物中不易开展的分子生物学领域已经或正在林木中深入和拓展[8]，转基因林木稳定的改良特性揭示了生物技术在林木遗传改良研究中具有巨大潜力。

二、美国林业发展现状简析

1、林业资源、林业科技、林业管理简述

美国的森林面积2.98亿hm2，占土地总面积的33%。人均拥有森林面积1.12 hm2。其中，用材林地(每公顷年产材能力在1.4 m3以上的林地)1.98亿hm2，占森林总面积的66.4%；保留林地(根据法规禁止采伐的林地，如自然保护区等)1 400万hm2，占4.7%；其他林地(每公顷年产材能力在1.4m3以下的林地)8 600万hm2，占28.9%。美国的森林主要分布在3个地区。在西部的落基山脉到太平洋沿岸，以针叶林为主，主要树种有北美黄杉、西黄松、加州山松、恩氏云杉和科罗拉多冷杉。

上世纪五十年代，美国开始营造种子园。六十年代后进入快速发展阶段，完成第一代种子园，第一代改良种子园。美国北卡罗来那大学到八十年代，已拥有第二代火炬松种子园。至今，已经发展到第四代第五代种子园，产量不断提高。