编辑 | 新锐恒丰研究院
来源 | 瀚辰光翼
玉米是世界上最重要的粮食作物之一，约占粮食总产量28%，提高玉米产量是促进全球粮食安全、农村经济发展和农业结构调整的重要手段。中国作为全球最大的玉米生产和消费国之一，玉米产业在国内经济和农业发展中扮演着重要角色，对于保障国家粮食安全、促进经济增长、推动能源安全和促进国际贸易等方面具有重要意义。
目前，中国的玉米产业面临着一些挑战和机遇。首先是玉米生产成本相对较高，限制农民和企业的竞争力。随着人口增长和经济发展，对玉米的需求不断增加，而我国土地资源相对紧张和资源稀缺性，农村土地供需矛盾十分突出，使得土地租赁费居高不下。此外，还受到化学农药等农资成本高，劳动力成本不断上涨和农机设备投入越来越大等多方面因素的影响，导致玉米生产成本不断升高。其次，国内生产的玉米品质相对较低，不能满足高端市场的需求。目前国内玉米育种水平相对较低，先进的育种技术、种植技术、管理技术和理念尚未得到广泛应用，导致玉米品种质量相对较低。此外，玉米产业面临着病虫害、逆境胁迫和气候变化等多种生产风险。病虫害会导致玉米减产、品质下降、温室效应等问题，土地、气候、水资源等逆境胁迫导致玉米生产发育的受限和损伤，全球气候变暖、极端气候事件等导致气候异常波动，增加了玉米生产风险和不确定性。
针对上述问题，可以从“土肥水种，密保管工”（现称为农业老“八字宪法”））等不同角度提供解决路径，但培育高产/稳产、优质、耐逆的商业化玉米品种仍是最为有效的手段。育种的的生物学本质是优异等位基因的创建、组合与选择过程，近些年来，种质资源挖掘重新得到重视，选择手段逐渐多样化，以转基因与基因编辑技术为代表的生物技术的进步为加速实现该育种目标提供了支撑。
种质资源挖掘
种质资源的丰富程度决定了育种的上限。近年来灾害频发、逆境加剧给玉米生产带来极大的挑战，有数据表明每年各种病虫害、杂草等生物胁迫造成的损失占比10%，而干旱、涝渍、盐碱、高温高湿等非生物胁迫所造成的损失占比高达66%，这凸显出种质资源挖掘的重要性与紧迫性。近来，多地启动种质资源平台建设，通过重新驯化、人工诱变等多种方式丰富种质资源。种质资源丰富不仅指的是种子资源丰富，也包含基因资源的丰富性，对种质资源基因型的鉴定即可以辅助了解种质资源的丰富程度，也有利于种质资源的信息化管理。
随着自动化技术的迭代与发展，使得大规模的种质样本检测成为现实；与此同时，基于酶切、PCR非特异性扩增、多重PCR或多重探针等新的建库策略不断涌现，为不同应用场景的基因分型提供了更多可供选择的技术手段。
2.选择&测试手段工程化
在既定的种质资源情况下，玉米育种可分为自交系选择与测试两个阶段；双单倍体理论与技术的迅速发展，使得育种家可以在短时间内获得大量的自交系，改变了原有的边回交边选择的选系模式，DH系的高效选择成为限制育种速度的瓶颈。随着生物学的的发展，越来越多表型背后的基因作用机制被解析，选系的过程也逐渐由表型选择向基因型选择过度。基因型选择不受环境及发育时期限制且易于工程化实现，大大的提高了筛选地效率和准确性。
目前有两种基因分型的手段用于加速育种进程。
1）分子标记辅助选择：先找出某个性状所对应的分子标记，然后在杂交育种的过程中用分子检测技术区分杂交后代中哪些单株含有这个标记，哪些单株不含有这个基因，即通过分子标记辅助选择技术达到准确选择目标性状的目的。
2）全基因组选择技术：利用覆盖全基因组的高密度分子标记进行选择育种的方法，可通过构建预测模型，根据基因组估计育种值进行早期个体的预测和选择，从而缩短世代间隔，加快育种进程，节约大量成本。分子辅助选择技术已经在作物的育种过程中得到广泛应用，全基因组选择理论上具有更强的工程化属性和选择精确度，目前已经在畜禽的育种中得到推广，其在作物学中的应用仍处于模型构建与测试阶段。
3.生物技术助力玉米育种产业升级
通过基因工程手段改变植物基因组，为作物品种改良提供了全新的途径。玉米作为重要的经济作物之一，转基因玉米的研究和应用展示了科技进步在农业领域的潜力，引发了人们对新技术的关注和讨论。通俗来讲，转基因技术能够将具有特定功能的外源基因转移到玉米基因组中，实现功能的增强。比如说，玉米螟、棉铃虫和粘虫等都是玉米生产上的重要害虫，在全世界范围内给玉米生产造成了严重的损失，为了挽回损失，大量的杀虫剂用于防治这些害虫，大大增加了生产成本以及农药残留和环境污染的风险，在转基因抗虫玉米推广种植的国家，轻而易举地解决了上述问题。转基因技术是玉米产业发展的重要方向之一，通过转基因技术改良玉米的性状，提高产量、提高品质、增强抗逆性等，转基因技术还可以减少农药的使用，提高生态环境安全性。此外，以CRISPR-Cas9为代表的基因编辑技术可以精确地修改玉米基因组，包括增加或删除特定基因，以改变玉米品种的性状。理论上可以在不引入外源基因的情况下，通过对自身基因的的编辑，实现对更多农艺性状的定向改良。
综上，虽然目前我国玉米育种面临诸多困境，但种质资源的挖掘、育种的工程化实现及生物技术的进步为突破育种瓶颈，推动玉米产业发展提供了动力。在分子育种中，高通量基因分型技术同样发挥着重要的作用，可应用于玉米物种基因组精确标记与筛选，候选基因筛选和验证，进化、遗传和群体结构研究等。利用基因编辑技术、转基因技术、基因组学技术、分子标记技术等手段，结合高通量自动化分子检测设备，实现快速筛选和培育抗病虫害、适应性强、高产高效的优良玉米品种。此外，在品种保护方面，这些生物技术手段结合高通量自动化分子育种检测设备，提高了培育者对品种的控制能力，同时也为保护品种的合法权益提供了更多的手段和保障。
图1. 不同应用场景下的SNP检测方案
虽然基于PCR或测序的基因分型手段已上市多年，受限于农业生产的高度成本敏感性，在国内，其应用多停留在科研领域。近年来，随着技术的进步，单样本的检测成本大幅降低，其在农业生产方面的应用逐渐可及，育种家和相关科研人员也可以根据检测目的选择性价比最高的检测方式（图1）。种子是农业的“芯片”，在当今的大环境下，建立我国自主可控、高效高产、灵活方便的高通量分子检测平台的需求迫在眉睫。
成都瀚辰光翼科技有限责任公司提供全国产、智能化生物育种实验室高通量基因分型方案，包括高通量植物基因组提取一体化工作站等设备，解决分子生物实验室核酸提取、PCR反应、核酸质控等工作的人力成本、时间成本问题，适合SNP标记开发、品种精准定向改良、多基因聚合育种、种子质量分子检测、种质检测和转基因检测等应用场景。设备拥有全自主知识产权，有效降低实验成本。
中国玉米产业的百年成就巨大，为中华民族的发展做出了不可磨灭的贡献。经过几代玉米科技工作者的努力，使玉米由百年前的“六谷”发展成为现在的第一大作物，相信生物技术、信息技术的蓬勃发展，将大幅度提升玉米种业的核心竞争力，加速实现农业大国向农业科技强国的转变。
