我國玉米分子模塊設計育種的前景展望

玉米是我國最重要的禾谷類作物之一，在我國農業資源不斷減少，而人們對優質玉米需求不斷增加的情況下，依靠科技創新大力發展玉米育種事業刻不容緩。由于玉米的重要農藝性狀包括抗逆性、產量及品質等都是多基因控制的復雜性狀，針對這些復雜農藝性狀，分子標記輔助育種以及轉基因技術由于僅局限于單個或幾個基因的遺傳改良，已不能滿足當前玉米生產對優良新品種的需求；而新型的育種模式——分子模塊設計育種將現代信息技術和育種工作相結合，能夠將控制玉米復雜農藝性狀的多個有效模塊聚合，提高改良育種效率，為保障我國糧食安全提供有力的理論和技術支撐。可以預見，隨著測序技術和大數據的發展，在未來的玉米遺傳育種中，分子模塊設計育種必將持續發揮領軍作用，其中亟待解決的問題主要包括?3?個方面。

分子模塊的挖掘及調控網絡的解析

在過去的幾十年里，人們已挖掘并鑒定了一大批與玉米重要農藝性狀密切相關的功能基因和?QTL?位點，包括持綠耐旱性、籽粒品質、株型以及抗病性等各個方面。但是關于這些重要農藝性狀的分子模塊網絡并不完全清楚，這極大阻礙了基于分子模塊調控的玉米遺傳改良。隨著全基因組測序技術的不斷發展和更新，較低的測序成本和高通量的測序數據使得大規模挖掘控制玉米復雜性狀的基因信息成為了可能——很多的玉米骨干自交系已完成測序，有關玉米的生物信息學數據庫的數據大幅增加；同時，轉錄組測序、蛋白質組測序和基因芯片等功能基因組研究平臺和玉米突變體庫的構建，為深入研究玉米相關功能基因的調控網絡打下了良好的基礎。今后還需要借助分子生物學、基因組學以及表觀修飾等技術，深入探索玉米復雜農藝性狀的遺傳基礎及調控網絡。

高通量表型的精準檢測和利用

表型是基因型和環境型相互作用的結果，高效、準確的表型檢測和分析是玉米生產育種中十分關鍵的環節，也是優良品種篩選、精準育種的先決條件。隨著測序技術的提高，玉米基因組學、蛋白質組學及代謝組學等快速發展，而由于玉米表型的高度復雜性和傳統表型鑒定技術的限制，導致玉米表型組學研究相對滯后，也使得相當一部分基因組信息無法被充分利用。因此，發展先進的表型鑒定技術、搭建高通量表型檢測平臺成為了必然。國內外大型企業及科研機構先后在人工氣候或大田等不同環境條件下建立了各種重要農藝性狀的表型鑒定平臺，可以自動化收集表型數據。在未來的農業生產中，如何利用先進的高通量表型檢測技術和平臺精準收集表型數據信息，并與基因組學等多學科技術相結合，深入挖掘與玉米重要農藝性狀密切相關的分子模塊，以促進玉米高通量遺傳育種將是今后人們關注的重點，也是實現玉米復雜農藝性狀改良的理論基礎。

多學科的交叉與融合

玉米分子模塊設計育種作為一個多學科的集合與交叉，是一項高度綜合的系統工程，需要將基因組學、表型組學、計算生物學、系統生物學和合成生物學相結合，對控制玉米復雜農藝性狀的分子模塊進行解析、組裝、耦合，并進行新型品種的分子設計和培育。但值得注意的是，目前我國玉米育種隊伍比較分散，研究缺乏持續性和系統性。因此，在今后的育種工作中需要高度整合資源，加強多學科交叉和共性技術集成以加強玉米分子育種平臺的建設，完善和促進玉米分子模塊設計育種體系。利用分子模塊設計育種技術無疑能夠全面解析控制玉米復雜農藝性狀的重要分子模塊，通過多模塊的耦合和組裝模擬，實現復雜性狀的定向改良，培育高產優質的玉米新品系。

我國是農業大國，玉米的持續穩定生產對于保障我國農業可持續發展和國家糧食安全具有重大的現實和戰略意義。在過去的幾十年里，我國玉米育種取得了舉世矚目的成績，總產不斷上升，但是單產相對較低。將分子模塊設計育種充分應用到玉米育種工作中，是將分子生物學前沿知識與生產育種實踐的緊密結合，對于玉米育種的發展，特別是對于玉米復雜性狀的遺傳改良具有重要的引領作用。玉米分子模塊設計育種創新體系的建立，將有助于提升我國農作物育種的技術水平，實現從“經驗育種”向“精準育種”的轉化，加速我國玉米新品種的選育進程。（作者：郝懷慶 劉麗麗 姚遠 馮雪 李志剛 晁青 夏然 劉宏濤 王柏臣 秦峰 謝旗 景海春 中國科學院植物研究所北京 中國科學院重大科技任務局北京 中國科學院遺傳與發育生物學研究所北京中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所上海 中國農業大學生物學院北京《中國科學院院刊》供稿）