分子设计育种国际发展态势分析

作物分子设计育种国际发展态势分析董瑜张薇袁建霞赵亚娟张博雷孝平李超王晓梅韩涛

（中国科学院国家科学图书馆总馆北京100190）

摘要：随着全球人口增长、经济发展和城市化，全球粮食生产正面临着严峻挑战；同时资源严重短缺、生态环境恶化也正威胁着粮食生产的可持续发展，粮食安全及其可持续发展问题成为全世界关注的焦点。在人口、资源、环境等刚性条件约束下，培育高产、优质、高效作物新品种已成为确保全球粮食安全、改善人类健康，促进农业可持续发展的重要途径之一。

近年来，随着分子生物技术的迅猛发展，分子设计育种已成为国际上引领作物遗传改良的前沿技术，它以生物信息学为平台，以基因组学和蛋白组学等数据库为基础，综合作物育种学流程中的作物遗传、生理、生化、栽培、生物统计等所有学科的有用信息，根据具体作物的育种目标和生长环境，在计算机上设计最佳方案，然后开展作物育种试验的分子育种方法。与传统育种技术相比，分子设计育种更为精确、更加高效率，能够实现从“经验育种”到“精确育种”的转化，为保障粮食安全提供了新的技术途径，同时也对减少农业生产对资源的过度利用和环境污染具有重大的科学和现实意义。

本报告利用定性和定量的方法对目前世界上作物分子设计育种相关研究的发展状况进行了分析，包括基因组研究、基因和数量性状位点（quantitative trait locus，QTL）定位研究、分子标记及其辅助选择育种研究等。通过对代表性国家美国、英国、加拿大、澳大利亚、法国，以及重要国际组织国际玉米小麦改良中心、国际水稻研究所以及跨国基因组研究组织进行调研，概括总结了他们在分子设计育种相关研究方面的计划和项目。报告利用文献计量学方法，通过分析国际农业和生物学中心文摘数据库（CABI）收录的相关论文和Aureka专利平台中收录的专利数据，从另一个角度揭示出近年来国际上分子设计育种相关研究和技术研发的发展趋势、研究热点和重点方向。

报告形成如下结论：

1. 分子设计育种目前尚处于起步阶段，主要集中在QTL定位、分子标记辅助选择育种以及转基因育种研究上，还没有实现真正地通过预先设计进行复杂性状的育种改良；

2．利用分子标记进行遗传连锁定位，对上位性、表型变异、以及基因型-环境互作的研究是当前QTL定位和分子标记辅助选择研究的重要内容；研究较深入的作物包括水稻、小麦、玉米、大麦和大豆；研究较多的性状包括病害抗性、作物产量、株高、作物品质、害虫抗性和耐旱性；

3．我国和我国的研究机构在QTL定位和分子标记辅助育种领域的基础研究方面力量较强，论文数量位居世界第二，在论文数量排名前10位机构中，我国的大学和研究机构共占据5个席位。但在相关技术领域的国际专利申请不活跃；

4. 美国在分子设计育种相关研究和专利申请上均占据重要地位。

报告提出相关建议：

1. 分子设计育种是一个集成多种技术和学科的系统工程，需要联合和发挥多家研究机构的力量，建议在国家层面组建“分子设计育种研发联盟”，集中设施、人才和资金优势，以我国丰富的作物基因资源为核心，立足于国家粮食安全与农业可持续发展的重大需求，依托国家科技计划，开展作物分子设计育种基础理论和技术平台建设，促进分子育种与常规育种技术的有机结合，构筑作物分子设计育种技术创新体系；

2．我国在分子设计育种相关领域的基础研究方面力量较强，论文数量位居世界前列，但在国际专利申请方面明显落后，因此建议加强产学研结合，鼓励企业参与相关研究，促进研究成果的快速转化和有效利用，构筑一体化的产业链，并加大知识产权保护。

关键词：分子设计育种作物QTL 分子标记辅助选择文献计量学分析

1引言

20世纪50年代的第一次“绿色革命”，使世界农业生产得到了飞速发展，为解决世界的粮食安全问题做出了巨大贡献。然而，随着农业生产水平的提高，投入的增产效应趋减，粮食增产的边际空间在变小；此外，耕地面积减少、生态环境恶化也正严重威胁着世界粮食生产的可持续发展；人口的不断增长和生物能源的扩张同时也给全球粮食生产提出了严峻的挑战。近年来，世界粮食增长减缓，世界粮食生产与供需趋势已经由供大于求转向供需紧张，尤其是2007/2008年世界范围的粮食危机使粮食安全问题再次成为全球关注的焦点。农业包括作物科技创新已成为解决粮食和食物短缺问题的时代理念。

在促进粮食增产的诸多科技因素中，作物品种改良是最重要推动力之一，据估计，其贡献率达1/3以上1。然而，其潜力的发挥受到了常规育种技术周期长、效率低和预见性差的严重制约。近年来，随着主要作物全基因组测序的完成，功能基因组学、蛋白质组学及生物信息学的发展，一种新的育种理念——分子设计育种在世界范围内逐渐兴起，并成为国际上引领作物遗传改良的前沿技术。设计育种（breeding by design）是Peleman和van der V oort于2003年提出来的，同时还申请了“设计育种”的注册商标2，其策略是在基因定位的基础上，构建近等基因系，利用分子标记聚合有利等位基因，实现育种目标。其后，Varshney于2005年又把基因组学和设计育种结合起来，提出了基因组学辅助育种（genomics-assisted breeding）3，即在获得全基因组序列的基础上，根据事先进行的虚拟基因组设计方案，通过一系列的育种手段和过程，获得一个聚集大量有利基因、基因组组配合理、基因互作网络协调、基因组结构最为优化的优良品种。分子设计育种是一个集成多种学科和技术的系统工程，它以生物信息学为平台，以基因组学和蛋白组学等数据库为基础，综合作物育种学流程中的作物遗传、生理、生化、栽培、生物统计等所有学科的有用信息，根据具体作物的育种目标和生长环境，在计算机上设计最佳方案，然后开展作物育种试验的分子育种方法。与传统育种技术相比，分子设计育种能够实现从“经验育种”到定向高效的“精确育种”的转化，为保障粮食安全提供了新的技术途径，同时也对减少农业生产对资源的过度利用和环境污染具有重大的科学和现实意义。目前，许多国家正在开展作物分子设计育种相关基础研究工作，积极为进入分子设计育种时代奠定基础。

我国是农业大国，粮食安全问题一直是重大战略问题。在2008年10月9日～12日举行的中国共产党第十七届三中全会审议并通过的《中共中央关于推进农村改革发展若干重大问题的决定》中，“确保国家粮食安全”被放在了首位。在我国人口、资源、环境等刚性条件约束下，培育高产、优质、高效作物新品种是确保我国粮食安全、改善人民健康，促进农业可持续发展的重要途径之一，作物分子（设计）育种成为国家相关战略规划确定的优先发展方向并得到了国家科技计划的重点支持。我国在2001年4月发布的《农业科技发展纲要（2001年—2010年）》提出要“加强农业生物技术研究。运用生物技术培育动植物新品种，注重分子水平上的生物育种技术与育种方法研究……”。2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》将动植物品种与药物分子设计技术确定为前沿技术。我国的“863”计划、“973”计划均设立了“分子（设计）育种”专题并启动了相关项目。分子（设计）育种技术已成为我国作物育种研究的重点方向，并将在作物品种遗传改良中发挥越来越重要的作用。

中国科学院也高度重视作物分子设计育种研究，在中国科学院“十一五”第一批知识创新工程中启动了“小麦、水稻重要农艺性状的分子设计及新品种培育推广”重大项目，最终目的是建立和完善多基因组装分子设计育种的理论和技术体系，实现传统遗传改良向品种分子设计的跨越，培育

1/biology/bioenginering/80269.shtml

2Peleman J D，van der V oort J R．Breeding by design[J]．Trends in Plant Science. 2003, 8(7)：330—334

3Varshney R.K., Graner A., Sorrells M. E. Genomics-assisted breeding for crop improvement. TRENDS in Plant Science, 2005,10(12) :621-630.