分子育种——助民族种业“跑”得更快 |
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来源：《 农民日报 》（ 2015年05月11日 06 版）
图为在华智水稻生物技术有限公司分子育种实验室，技术人员正在利用磁珠法自动化提取DNA。张泓摄 本报记者 王瑜 “一票否决”，品种审定的“铁门槛”让水稻种企对如何提高稻瘟病抗性格外关注。 然而，筛选抗稻瘟病基因，受到环境条件的限制。虽然水稻从抽穗到成熟，都易发稻瘟病，但要发病，易感品种和低温连阴天缺一不可，因此在自然种植条件下，稻瘟病并不会年年重发，要验证材料的抗病性，往往需要人工接种病菌，工作量很大，成本也很高。 同时，引起稻瘟病的生理小种又是不断变化的。就像流感病毒一样，前两年有效的流感疫苗今年就可能不管用了，所以选育抗稻瘟病的品种就如同和病菌变种进行一场你追我赶的“持久性赛跑”。 有没有一种办法，能够加快筛选速度，获得市场所需的育种材料来定向改良品种呢？答案就是分子育种。为什么是分子育种？分子育种是怎样加快筛选速度的？为了寻找问题的答案，记者来到了我国两大农作物分子育种平台之一的华智水稻生物技术有限公司。 什么是分子育种？ ——分子育种和常规育种就像西医和中医，必须中西医结合，才能取得高效益的理想效果 要知道分子育种为什么能帮助育种家跑得更快，首先需要了解什么是分子育种。 “如果说常规育种是看中医、看表型，分子育种就类似西医拍的一张张X光片，看品种内部的各种基因型。”华智总经理张健解释说，有经验的老中医拍拍背，可以凭经验猜出来肺部有没有钙点，但没有百分之百的把握；分子育种技术类似能给医生提供一个X光片，有没有钙点一目了然。当然，分子育种也有误差，但这种误差跟没有X光片时的判断相比，精准度高很多。 在张健看来，常规育种凭经验选育的过程就像一个“黑匣子”，肉眼只能区分抗病和感病，并不知道种子所具有的基因型是什么，更看不出抗病材料是杂合抗病还是纯合抗病，而纯合抗病材料才是育种家能够利用的育种材料。分子育种能够帮助育种家打开并解读这只“黑匣子”，区分哪些是纯合抗病材料，哪些是杂合抗病材料，利用纯合抗病材料来加快育种进程。 打开“黑匣子”，对育种效率与效益的提升主要体现在两个方面。一是缩短育种时间。用常规育种手段定向改良一个农艺性状，需要回交6代才能得到理想的植株，一般需要5年~6年时间，而利用分子育种技术，通过早期的基因型选择，只需要3年左右，育种时间可以缩短一半。二是降低田间测试材料数量。假设有2个抗病材料，传统育种方法需要足够大的回交群体才可能获得想要的材料，但分子育种技术可以通过基因型分型筛选，先把含有抗病基因的材料筛选出来，这样就可以节省很多耕地。 “分子育种只需要一片水稻叶子，就能在基因型水平上诊断这种材料抗病不抗病，是纯合抗病还是杂合抗病，但选择的材料好不好，最终还是要到大田里看效果。”张健说，分子育种和常规育种一样，都是一种技术手段，分子育种要用得好，取得好效果，必须和其他技术手段结合起来。分子标记、生物信息、种质创新、大田测试就像一张桌子的四条腿，多功能研发部门综合在一起才能形成高效的分子育种大平台。 随着种植方式的转变和消费水平的提高，水稻育种的目标正在从单纯的高产向高产稳产、多抗广适、品质优良、资源节约、环境友好、高效益等多重目标转变。“没有最好的品种，只有最适合的品种。”张健说，育种就是要根据不同区域的水土光温条件，筛选出最优的基因组合，而分子育种能够快速锁定并聚合高产、多抗、口感好等优良性状的相关基因，既能帮育种家快速培养出“三好生”，也可以帮育种家培养更多适合不同区域的“特长生”。 “X光片”如何“拍”出？ ——水稻的12对染色体就像12条高速公路，分子标记就像设在高速公路上的路标 华智承担着建设农业部国家水稻分子育种大平台的重任。进入华智第一个实验室，在10多平方米的空间里，3台巨大的黑色仪器呈“L”型摆开。“这是刚到位的道格拉斯阵列式分析卷带（DouglasArrayTape）高通量SNP检测平台，目前是全球通量最高的基因分型平台。”张健介绍说。 什么是通量？高通量意味着什么？“通量表示物质分子移动量的大小，通量越高则单位时间内完成的测试量越大。”张健解释说，“只有通量上去了，研发成本才能降下来。” 据了解，人工操作，一天一个人最多能做几百个SNP测试，而用这套设备，每天可以做23万个SNP测试，相当于2400台普通96孔的PCR仪同时开动。目前，设备已经调试完毕，为了尽快投入商业化使用，华智正加紧开发水稻全基因组分子标记，今年的目标是做出2000个分子标记来。 什么是分子标记？分子标记有什么用？“分子标记是可遗传、可检测的DNA序列，相当于高速公路的路标。”张健解释道，如果把一条染色体比作一条高速公路，基因测序相当于建高速公路，分子标记就像是在高速公路上设路标。分子标记越多，路标越精确，定位的精度也越高。有了大量的路标，就可以像GPS一样精准定位，快速锁定要找的基因。 水稻有12条染色体，每一条染色体上有大量DNA，但并不是每个DNA都能成为标记，分子标记要发挥作用，关键在于找到那些通过实验室与大田验证，与高产、抗病或是抗倒伏直接相关的DNA序列，并把这些DNA分子标记开发出来。 标记的方式很重要。“分子标记需要检测手段简单、快速、容易自动化，同时成本低、重复性好。”张健告诉记者，单个核苷酸的改变，就能体现出DNA序列的变化，因此单核苷酸多态性（SNP）检测是目前最准确、最快速也最适于自动化操作的分子标记手段。 分子标记一旦验证完毕，对相应基因的搜索就变得如探囊中之物一般便利。“利用道格拉斯高通量SNP检测设备，2天~3天就能得出精确的检测结果。”张健给记者展示了一组品种纯度和真实性鉴定的结果，由于单个SNP被开发成能用荧光检测的PCR产物，检测结果在电脑屏幕上呈现出不同的颜色——基因型相同的颜色相同，基因型不同的颜色不同。是不是一个品种，品种纯度高不高，就像“X光片”一样一目了然。 分子育种平台改变什么？ ——种业研发缺乏转化的环节，分子育种平台就是要将“沉睡”的资源唤醒盘活 目前，SNP分子标记等分子育种技术已成为跨国种业巨头加快培育新品种的一种利器。孟山都、杜邦先锋均有多套道格拉斯高通量SNP检测设备。如果国内种业仅用常规育种手段来应对挑战，则无异于坐着牛车和汽车赛跑。 然而，一套道格拉斯高通量SNP检测平台，即使不算耗材和人工成本，也需要上千万元，对于每年研发投入至多几千万元的国内种企来说，单枪匹马做分子育种既不实际也不实惠。为了解决单个企业做分子育种既“吃不起”也“吃不饱”的两难困境，实现“同乘一辆车，各买一张票”，在农业部推动下，华智和中玉金标记两大分子育种平台应运而生。 “和普通的种业企业不同，我们不会把研发的种子直接卖给农民。”张健说，“两大分子育种平台定位于专业化高科技种业服务公司，主要任务就是为商业化育种单位提供分子育种服务。” 他介绍说，科研院所的研究人员克隆一个基因就可以发表论文，但要将此基因应用到育种生产上，还缺乏一个技术开发与成果转化的环节，分子育种平台就是要为基础理论成果向产业化转化铺路搭桥，因此不仅要在实验室和大田条件下验证基因的优劣，而且要将优良基因导入到商业化育种材料中，创造新的种质资源，帮助“沉睡”的基因或资源变成商业化育种中真正有价值的材料。 在国外开发1个转基因农产品需要1.36亿美元，其中早期研发的投入约占23%，中期验证占51%，后期推广、法规等方面投入占26%左右，中间验证及产业化开发的费用要比早期研发高很多。而在国内，分子育种技术的研究还停留在早期概念阶段，由于缺少成果验证与产业化转化环节，不少基因材料只能停留在实验室的抽屉里，这也导致种质创新停滞不前，进而制约了突破性大品种的选育。 解决科研成果转化难，必须理顺分工。“科研院所是上游，提供基因材料；分子育种平台是中游，专注技术的集成和开发；种业企业是下游，开展商业化育种和推广。”张健说，科研院所的研究人员发现了一个抗病基因，但只有一个抗病基因的材料不能满足实际生产需要，这就需要对不同抗原、不同抗性位点的材料进行验证、集成和资源创新，然后将多抗的材料提供给下游公司。 张健认为，专业化种业技术服务公司的壮大，将从根本上改变种业知识产权交易的游戏规则——利用DNA指纹图谱给每个品种建立“身份证”，利用商业化合同明确规范产业链利益的分成机制，能有效遏制“偷材料”等市场乱象发生。“市场的整体运作规范了，就能够促进种业向更好的方向发展，农民就能用上更好的品种。”他说。 |
我国分子育种平台有哪些？ 目前，我国有两大分子育种平台。华智生物技术有限公司由隆平高科、神农大丰、丰乐种业等12家中国水稻种业领域有影响力的种业公司共同发起拥有；中玉金标记（北京）生物技术股份有限公司由北大荒垦丰种业股份有限公司、中玉科企联合（北京）种业技术有限公司、辽宁东亚种业有限公司等9家在我国玉米种业领域较有影响力的企业共同持股。 如何保证检测材料的安全？ 样品DNA的提取，只需要一片叶子，而叶子是不具有繁殖能力的，所以委托单位不用担心材料流失。如果没有叶子，也可以将种子粉碎后提供。同时，农业部规定两大分子育种平台不能卖种子，这也从政策层面规避了技术服务型公司与种企之间不必要的同质竞争，确保了委托单位的材料安全。 进行SNP检测，时间和费用如何？标记开发完成后，利用道格拉斯高通量SNP检测设备，一般几天就能拿到检测结果，而成本只有使用普通96孔PCR仪器测试的1/10甚至更少。 分子育种平台只服务于种业企业？不是。作为专业化技术服务公司，分子育种平台不仅为种业企业提供分子育种咨询、服务与实施，而且可以为科研单位鉴定科研材料的DNA指纹图谱、基因分型等服务，也可以为政府机关及农民维权提供品种真实性和种子纯度的鉴定。 知识课堂 PCR是聚合酶链反应的简称，它能够在生物体外快速获得大量特定片段的DNA分子，具有特异性强、灵敏度高、操作简便、省时等特点。 什么是SNP？ SNP，是单核苷酸多态性的英文简称，它是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。
分子育种流程 寻找材料——理论评估——基因定位——分子标记开发——种质创新：聚合有利基因，选育新的材料——品种测试：大田种植——将优良育种材料提供给育种家或育种单位
——DNA提取——PCR反应——结果检测
第一步，建立反应体系。阵列式分析卷带外观很像相机的胶卷，每张中间是384孔。随着阵列卷带的移动，每个小孔就自动装好一个测试样品，并自动完成覆膜封口。 第二步，PCR反应。样本经过94℃高温变性、60℃-65℃低温退火、72℃适温延伸三个步骤完成1个循环。一次PCR反应要做35个循环。阵列式分析卷带，在机械传动装置作用下，在3个恒温水浴锅中循环，节约了传统PCR仪升温降温的时间，也增加了实验结果的稳定性。 第三步，荧光仪检测。做完PCR反应，将阵列式分析卷带放到荧光仪的入口处，卷带会像胶卷一样进入荧光仪，结果以不同颜色在电脑上显示出来。
普通PCR仪（左）采用96孔板作为反应载体，相比之下，384孔的阵列式分析卷带（右）的特性更适合高通量全自动化操作。 人工移液器和自动化液体工作站，前者手工加样，一人一天最多完成几百份样品DNA提取；后者利用自动化仪器加样，每天可以提取5000份以上的DNA样品。 |
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