农作物基因设计育种发展现状与展望

●侯兆武 （济南市农业科学研究院 山东 济南 250316）

1 农作物基因设计育种概述

1.1 基因设计育种原理

在农作物基因设计育种技术发展过程中，新型基因设计工具研制可以使相关研究人员培育出产量更高﹑质量更好的农作物。基因指的是具有遗传效应的DNA片段，对生物性状有控制性作用，支持生命的基本构造和性能[1]。生物性状是由基因直接决定的，如玉米高矮﹑产量高低﹑抗倒伏性能等。在基因设计育种中，需要引入遗传变异。在传统育种过程中，对农作物一个品种进行改良需要几年甚至几十年，主要是因为传统育种技术产生的变异具有不可控性﹑随机性，如杂交育种需要经过多代筛选，才能够获取真正的变异概率，育种周期较长，难度也较大。当前育种技术不断发展，相关基础设施不断完善，科学家利用基因设计开展育种，可以创造遗传变异，如太空育种，直接利用太空特殊环境诱变使种子发生变异。基因设计能够对作物的特定基因进行精准定位，对定位基因剪断后，细胞可以修复断口，产生变异。

1.2 基因设计育种的价值

利用基因设计育种技术可以对作物的某一个基因进行改良，并且时间比较短，在一次基因设计中可以对多达几十个基因同时进行调控。在基因设计育种过程中需要利用可以精准定位的基因设计工具精确快速地促使作物发生基因突变，培育出更有营养﹑更耐受极端天气﹑产量更高的作物种子。从这一角度出发，基因设计育种精准定位工具发挥了至关重要的作用，在之前的基因设计育种过程中，主要是剪断基因，细胞修复断口会出现变异，致使基因失活无法发挥作用，基因设计育种确保不利于农作物生长的基因失活，从而培养出优质﹑高产﹑抗病的品种。

2 农作物基因设计育种发展现状

2.1 创建了具有特色的基因发掘材料

近年来，我国保存了近40万份农作物种子资源，为基因发掘奠定了有效的物质基础。但是从数量巨大的种子资源库中挖掘优异基因难度较大，有研究人员提出核心种子的概念，在一定程度上为种质资源的深入研究和利用提供了新的方法。在我国科技项目研究过程中，主要农作物核心种质系统研究比国外同类研究更早，目前已经完成了水稻﹑小麦﹑大豆﹑玉米以及其他几十种农作物核心种质和微核心种质构建，降低了种质资源的数量。微核心种质对总体的代表性保持在75%以上，可以推动种质资源精细表型鉴定以及基因型鉴定，这在基因设计育种过程中发挥着至关重要的作用。在种质资源鉴定方面可以利用优异性状材料构建大批遗传分离群体，并完成遗传图谱构建以及基因定位。这些群体以重组自交系群体﹑近等基因系群体以及回交群体等为主[2]。

2.2 推动了基因挖掘方法创新

在现代分子生物学发展过程中，基因组学和生物信息学的发展速度不断加快，在一定程度上推动了基因挖掘新理论和新方法的发展。目前，基因挖掘策略和方法的相关研究越来越成熟。作物基因挖掘的方法主要包括表型到基因正向遗传学和从基因到表型的反向遗传学。

2.2.1 正向遗传学方法正向遗传学可以根据目标基因在染色体的具体位置完成基因克隆。在我国的水稻克隆中可以对多种重要性状基因如MOCI﹑Ghd7﹑RIDI等进行有效控制。除此之外，以连锁不平衡为核心可以将标记或者候选基因遗传变异与目标性状表型进行联系完成分析。在分析时主要从全基因组扫描的关联角度出发，研究候选基因的关联情况，对水稻开展全基因组扫描分析，主要是对基于全基因组扫描的关联分析方法进行应用。对小麦的光周期反应基因Ppd-D101关联进行分析时，主要是基于候选基因开展的分析工作。

2.2.2 反向遗传学方法通过反向遗传学开展研究时，基因影响的表型具有一定的模糊性，需要利用遗传转化研究基因功能和引发的可能表型变异进行研究。除此之外，也可以插入或者删除﹑转座子标签或者进行RNA干涉等。通过表型变异对基因进行挖掘，在反向遗传学方法应用过程中，同源基因克隆是典型代表。我国水稻基因在挖掘过程中是以图位克隆为主的，而其他农作物在研究中以同源基因克隆为主。以比较基因组学的相关方法为核心进行研究，可以在无基因组序列作物基因克隆过程中发挥突出作用。以不同方法进行整合研究基因功能是当前基因设计育种过程中的重要方法，也是新型方法。将基因关联分析与表达分析与转基因进行结合﹑同源克隆基因与重组自交系群体定位进行结合等可以促进整合连锁图谱﹑表达谱以及功能互补分析，从而确定克隆微效抗性基因。

2.3 初步构建了基因设计育种技术体系

现阶段，我国主要农作物产出的专利达到上万件，占全球40%以上，并且逐步构建了系统完善的农作物基因设计育种技术体系。在转基因技术发展过程中，我国在多物种遗传﹑转化等方面的自主研发能力得到了明显提升，并且检测监测管理体系以及生物安全评价等相关体系越来越完善，可以从原有的跟踪模仿到自主创新，创制出具有较强应用前景的耐除草剂﹑耐旱﹑节水﹑营养丰富的功能性转基因玉米﹑水稻﹑大豆等，均已超过国外同类产品。在农作物设计育种过程中，基因设计技术的应用越来越普遍，对水稻﹑小麦﹑玉米等作物都构建了基因消除﹑基因替换或者插入﹑单碱基定向突变等基因组定点编辑技术体系，可以对农作物的抗病性能﹑品质以及耐除草剂性能等进行深入研究。

全基因组选择技术在应用过程中推动了聚合多元优良基因的研究和发展。目前，已经构建了水稻﹑小麦﹑玉米等作物全基因组选择技术体系。在农业合成生物过程中挖掘与合成了具有较强抗盐碱性﹑耐干旱性﹑氮高效利用等元件。利用全基因组层面构建人工智能预测模型，完成了智能组合优良等位基因的人工变异﹑自然变异等育种设计工作，实现了农作物新品种高效﹑智能﹑定向培育，极大提高了育种效率[3]。

3 农作物基因设计育种发展展望

随着农作物基因设计育种技术的不断发展以及我国基因设计育种技术体系的形成，在未来的农作物基因设计育种发展过程中，可以从以下角度出发进行分析开展。

3.1 深入研究，提升原创能力

在农作物基因设计育种发展过程中，必须对国际作物种业科技基础理论的最新成果进行深入分析，重视源头创新，对重大基础科学问题进行深入探索，提高基因设计育种技术的先进性以及原创能力。在作物优异基因资源多样化以及演化过程中需要对物种多样性的产生和演化机制进行深入探索，对物种资源形成时的基因组学基础等进行全面解析，促进资源挖掘和理论创新。除此之外，在农作物育种性状形成过程中，还要对生物分子技术进行应用，通过产量﹑品质﹑抗性﹑营养﹑高效等不同性状遗传以及表观遗传变异规律的深入分析，完成分级调控网络构建，从而为农作物基因设计育种的多性状设计奠定坚实的理论基础[4]。

3.2 加大核心技术研究和创新

在农作物基因设计育种的未来发展过程中必须突破作物基因设计育种的核心技术，对新一轮种业科技革命带来的机遇和挑战全面分析，利用前沿技术促进作物基因设计育种技术的突破。以基因组学为基础完成分子标记﹑转基因和分子设计育种技术的深入探索，促进全基因组选择﹑基因编辑﹑合成生物等核心技术的发展。与此同时，还要将大数据技术﹑人工智能技术等与基因设计育种技术有效融合，形成作物基因设计育种技术体系，抢占技术创新高点。对新一代作物高效挖掘技术进行深入探索，推动优异基因快速挖掘，对重要物种的全基因组选择技术进行全面开发和优化，提升基因聚合效率。对原有作物的优良品种的高效遗传转化瓶颈进行探索，突破困境。研发不仅需要以收紧机型限制为主的高效遗传转化性技术，并且要对单碱基定点突变﹑大片段定点插入以及同源重组等基因定向编辑技术等进行创新。利用人工智能和数据库技术形成基因设计育种信息库，促进工程学模块化和系统设计理论完善发展，构建基于模块组装和通路设计的合成生物技术系统，为农作物基因设计育种提供可靠支撑。

4 总结

在当前的农作物基因设计育种创新过程中，需要对我国农作物基因设计育种成果进行全面分析，了解农作物基因设计育种过程中的难点，对农作物基因育种性状﹑遗传网络进行充分阐释。同时要加强基因设计育种创新团队和青年科学家培养。将合成基因设计﹑基因编辑﹑全基因组选择等技术应用于基因设计育种技术体系，促进人工智能技术和大数据等新兴学科与基因设计育种技术体系的有效融合，形成国家农作物基因设计育种技术创新中心，提升我国农作物基因设计育种的综合实力和国际竞争力。