北京市农林科学院玉米中心揭秘玉米DNA指纹

    本专题撰文：本报记者缪翼　实习生李国龙制图：王澎刘耘竹

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玉米DNA指纹图谱。资料图

    编者按

    我国每年参加国家及各省市区试玉米品种数以千计，已通过国家或省级审定杂交种5000多个，申请植物新品种保护品种2400多个。庞大的品种数量，加之品种间的遗传差异越来越小，使得完全根据形态性状进行玉米品种辨别不但耗时费力，而且越来越困难，加大了种企维权和种业市场管理难度。DNA指纹技术能够从DNA分子水平给每个玉米品种一个“身份证号码”，以其准确可靠、简单快速、易于自动化的优点越来越多的应用于品种管理。什么是DNA指纹技术？今天，本刊记者带您走进北京农林科学院玉米研究中心，为您揭开它的面纱。

    Q：什么是玉米DNA指纹？

    A：DNA指纹是玉米的“分子身份证”

    玉米DNA指纹，是从DNA分子水平给予每个玉米品种一个能够准确表明其身份的代码，就像每个人都有一张身份证，DNA指纹就是玉米的“分子身份证”。

    北京市农林科学院玉米研究中心主任赵久然解释道：“人的身份证信息都是外在的、直截了当的，而玉米的‘分子身份证’则是采用DNA指纹技术，深入基因水平，用每个品种的特殊基因片段进行标记。”

    赵久然描述得虽然简单，却令记者感受到了高精尖科技的魅力，更让记者惊讶的是，在赵久然的带领下，他的团队一张一张收集，如今北京农林科学院玉米研究中心玉米DNA指纹库里的玉米“分子身份证”已经达到18000多张。

    “从1993年同工酶、蛋白电泳技术的应用到现在，历经20多年，玉米DNA指纹数据收集的难度不亚于飞机上天，科研人员投入了大量心血，终于建成了全球数量最大的玉米标准DNA指纹库。”赵久然介绍，“指纹库包括10000多个国家和各省区试组合、2000多个品种权保护品种、3500多个农业部审定品种及800多个自交系和农家种资源。同时制定了8项DNA指纹检测标准，并参与了国际标准的制定，让中国玉米DNA指纹技术走上了世界舞台。”

    制作玉米“分子身份证”、构建数据库、制定标准等项目之间有什么关系吗？“关系非常大，这都是玉米品种鉴定的必然步骤。玉米DNA指纹数据库就和公安局身份证数据库的作用是一样的，可以为玉米品种鉴定提供足够的依据，减少‘查无此人’情况的发生。”赵久然说，“另外，无规矩不成方圆，依据检测标准才能保障检测方法一致，以提高检查结果的可信度。为了避免玉米‘身份鉴定’出错，每次检测都由两组人同时进行，只有每组实验的每个结果都达到一致时，才会继续进行，以确保最终结果准确无误。”

    Q：玉米DNA指纹有啥用？

    A：快捷分出种子里的——李逵和李鬼

    有没有一种办法能够简便、快捷地分出李逵和李鬼？

    答案是肯定的。

    就好像人类的DNA亲子鉴定一样，利用DNA指纹鉴定技术能够让每一个玉米品种与其“分子身份证”一一对应。

    在玉米研究中心的实验室中，研究人员从各种玉米种子中取样，提取DNA，对关键的基因片段进行扩增后，将其放进先进的DNA分析仪中进行检测，信息自动发送到玉米DNA指纹库中进行对比，如果这种品种是库内已存品种，就会被系统自动报出。赵久然说：“这就好比把玉米品种的关键性基因标记编成二维码，一‘扫’就能验明正身。”

    业内人可能都知道北京市农林科学院玉米研究中心有一个玉米标准DNA指纹比对服务平台，可以提供玉米DNA标准指纹数据信息查询服务以及DNA指纹数据比对服务。目前此项技术已成功地应用于玉米新品种区试审定、种子市场监督抽查、品种权保护、侵权案司法鉴定等领域中，并对品种权保护和在品种权纠纷案件中的司法鉴定提供了技术支撑，在种子纯度的快速鉴定上节约了时间，减少人力、物力、财力的开支。“过去每年抽检，田间做试验少则3个月、多则半年才能出结果，通过玉米标准DNA指纹库，当天检测当天就能出结果。”赵久然说。

    据统计，玉米研究中心依托平台已开展品种真实性、一致性、种子真伪等分子技术鉴定30000多份次，其中有17000多份样品是为企业、科研单位、农民等提供的打假维权、科研育种、种子生产、生产经营等多方面的技术服务。

    为推动分子技术在作物育种及品种鉴定中的应用，玉米研究中心受农业部委托，多次举办国际国内技术培训班，并为企业和科研单位随时上门进行培训学习，累计培训3000多人次。培训班就分子技术在玉米品种鉴定检测和育种中的应用，企业在维护品种权和种子管理部门查处侵权的过程中如何快速鉴定玉米品种真实性和纯度、企业在育种过程中如何利用分子技术加快育种进程以及玉米DNA指纹数据库推广应用的模式进行培训和探讨。

    Q：谁在用玉米DNA指纹鉴定？

    A：农业主管部门、种企以及农民

    我国是玉米生产和消费大国，每年参加国家及各省市区试玉米品种数以千计，在激烈的市场竞争中，为了追求品种更强的抗病性、更高的产量、更好的商品性、更广的适应性，高频率杂交育种成为常态。然而由于少数骨干亲本集中应用，在原品种基础上仅改良少数甚至单个性状的依赖性派生品种在增多，玉米品种间的遗传差异越来越小，同质化现象普遍，随之而来的套牌现象也成为了行业的潜在隐患。

    “这些问题，都可以通过玉米DNA指纹鉴定得到解决。”赵久然介绍，“这项技术最早于2002年开始推广使用，目前应用量越来越大、应用范围越来越广，为农业执法部门、育种科研单位、种子公司以及农民做‘亲子鉴定’。”

    “玉米DNA指纹鉴定技术是农业主管部门打击套牌侵权违法行为的重要技术支撑。”农业部种子管理局副巡视员吴晓玲说，“农业部组织查办的玉米假种和侵权案件一般都送往北京农林科学院玉米研究中心进行品种真实性鉴定。DNA指纹鉴定为打击套牌侵权提供了快捷、科学的技术依据，是遏制制假售假势头蔓延，有效维护种子市场秩序的重要保障。”

    今年4月，执法人员在河南新乡的3个假种子生产和销售窝点查获了30个种子品种，涉案金额近千万元。执法人员当场对其进行了查封，并提取30个样品送到玉米研究中心做技术鉴定。经鉴定，大量包装为“鑫硕丰1号”、“鑫硕丰3358”、“隆平206”、“良玉88”、“先玉335”等品名的种子均为假种子。

    吴晓玲介绍说，种子套牌和制假售假行为极大损害了育种者权益和农民利益，严重阻碍了企业品种创新的积极性，破坏了种业创新发展的良好环境，必须严厉打击，并持续保持打假的高压态势。

    “玉米DNA指纹鉴定技术是种子维权打假的利器，为国家粮食安全保驾护航。”吴晓玲说，“目前，我国还建立了杂交水稻DNA指纹库，小麦等作物的DNA指纹库正在筹划研究之中。”

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    玉米品种鉴定方法

    定义及分类：根据玉米品种的种子、幼苗和植株外部形态的差异鉴定品种，分为种子形态鉴定法、幼苗形态鉴定法和田间种植鉴定法等。

    种子形态鉴定法特点：简单、方便、快速，在传统农业生产中应用普遍，但可供鉴定的种子性状少且易受种子成熟度、种子生产生态环境和种子贮藏等条件影响，鉴定结果具有一定的主观性。品种间种子形态差异越来越小，鉴定形态差异来辨别种子越来越困难，准确性也越来越低。

    幼苗形态鉴定法特点：所需试验设备及操作简易、成本低，但能用于品种鉴定的幼苗特异性状较少，所以只能用于有明显差异品种间的鉴定。

    田间种植鉴定法特点：具有合法性、科学性、准确性等优点，是进行品种真实性鉴定结论判定的最终方法，但周期性长、时效性差、工作量大，不能满足现代农业生产及种子贸易中快速鉴定的要求。

    蛋白质指纹图谱法

    定义与分类：利用电泳技术对待检测样品的种子或幼苗的蛋白质进行分离、染色，形成蛋白质电泳图谱，与标准样品进行比较，来鉴定品种。包括同工酶电泳、种子贮藏蛋白电泳法等。

    同工酶电泳法特点：目前，已有30多种同工酶用在作物品种鉴定中，最常用的是脂酶同工酶和过氧化物同工酶等。同工酶电泳虽然比形态鉴定更加快速，但同工酶具有植物组织及器官特异性，受个体发育及生态环境的影响，且一些种类的同工酶在提取和分离过程中容易失去活性。

    种子贮藏蛋白电泳法特点：在品种鉴定上应用较多的是醇溶蛋白（和谷类）和球蛋白（豆类）。该方法直接从种子中提取蛋白质，操作技术简单，结果相对稳定，但是随着近亲品种的不断涌现，寻找品种鉴定用的特异蛋白的难度增大。

    DNA指纹图谱法

    定义与分类：学名为DNA分子标记鉴定法，通常也称为DNA指纹图谱法，种类较多，当前在农业行业标准中常用的方法为简单重复序列（SSR）标记法。

    SSR标记法通常是指以2个~5个核苷酸为单位串联重复不同次数形成简单重复序列，在不同品种的基因组DNA中简单重复序列的重复次数有差异，这种差异可以通过聚合酶链反应（PCR）扩增及电泳法进行检测，从而能够区分不同品种。

    SSR标记法特点：SSR标记广泛、随机、均匀的分布在基因组中，可以提供整个基因组的遗传信息，参与遗传物质结构的改变、基因调控等过程，能够直接反应品种遗传物质在DNA水平上的差异。具有准确性高、多态性高、检测重复性好、操作简便、经济、不受季节和环境影响等特点。以SSR标记法为主，形态鉴定方法为辅，能够更高效、更准确进行品种鉴定。