我國(guó)玉米分子模塊設(shè)計(jì)育種的前景展望

玉米是我國(guó)最重要的禾谷類作物之一，在我國(guó)農(nóng)業(yè)資源不斷減少，而人們對(duì)優(yōu)質(zhì)玉米需求不斷增加的情況下，依靠科技創(chuàng)新大力發(fā)展玉米育種事業(yè)刻不容緩。由于玉米的重要農(nóng)藝性狀包括抗逆性、產(chǎn)量及品質(zhì)等都是多基因控制的復(fù)雜性狀，針對(duì)這些復(fù)雜農(nóng)藝性狀，分子標(biāo)記輔助育種以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)由于僅局限于單個(gè)或幾個(gè)基因的遺傳改良，已不能滿足當(dāng)前玉米生產(chǎn)對(duì)優(yōu)良新品種的需求；而新型的育種模式——分子模塊設(shè)計(jì)育種將現(xiàn)代信息技術(shù)和育種工作相結(jié)合，能夠?qū)⒖刂朴衩讖?fù)雜農(nóng)藝性狀的多個(gè)有效模塊聚合，提高改良育種效率，為保障我國(guó)糧食安全提供有力的理論和技術(shù)支撐。可以預(yù)見(jiàn)，隨著測(cè)序技術(shù)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，在未來(lái)的玉米遺傳育種中，分子模塊設(shè)計(jì)育種必將持續(xù)發(fā)揮領(lǐng)軍作用，其中亟待解決的問(wèn)題主要包括?3?個(gè)方面。

分子模塊的挖掘及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析

在過(guò)去的幾十年里，人們已挖掘并鑒定了一大批與玉米重要農(nóng)藝性狀密切相關(guān)的功能基因和?QTL?位點(diǎn)，包括持綠耐旱性、籽粒品質(zhì)、株型以及抗病性等各個(gè)方面。但是關(guān)于這些重要農(nóng)藝性狀的分子模塊網(wǎng)絡(luò)并不完全清楚，這極大阻礙了基于分子模塊調(diào)控的玉米遺傳改良。隨著全基因組測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，較低的測(cè)序成本和高通量的測(cè)序數(shù)據(jù)使得大規(guī)模挖掘控制玉米復(fù)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(cè)序，有關(guān)玉米的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)大幅增加；同時(shí)，轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、蛋白質(zhì)組測(cè)序和基因芯片等功能基因組研究平臺(tái)和玉米突變體庫(kù)的構(gòu)建，為深入研究玉米相關(guān)功能基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)打下了良好的基礎(chǔ)。今后還需要借助分子生物學(xué)、基因組學(xué)以及表觀修飾等技術(shù)，深入探索玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀的遺傳基礎(chǔ)及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

高通量表型的精準(zhǔn)檢測(cè)和利用

表型是基因型和環(huán)境型相互作用的結(jié)果，高效、準(zhǔn)確的表型檢測(cè)和分析是玉米生產(chǎn)育種中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是優(yōu)良品種篩選、精準(zhǔn)育種的先決條件。隨著測(cè)序技術(shù)的提高，玉米基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)等快速發(fā)展，而由于玉米表型的高度復(fù)雜性和傳統(tǒng)表型鑒定技術(shù)的限制，導(dǎo)致玉米表型組學(xué)研究相對(duì)滯后，也使得相當(dāng)一部分基因組信息無(wú)法被充分利用。因此，發(fā)展先進(jìn)的表型鑒定技術(shù)、搭建高通量表型檢測(cè)平臺(tái)成為了必然。國(guó)內(nèi)外大型企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)先后在人工氣候或大田等不同環(huán)境條件下建立了各種重要農(nóng)藝性狀的表型鑒定平臺(tái)，可以自動(dòng)化收集表型數(shù)據(jù)。在未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如何利用先進(jìn)的高通量表型檢測(cè)技術(shù)和平臺(tái)精準(zhǔn)收集表型數(shù)據(jù)信息，并與基因組學(xué)等多學(xué)科技術(shù)相結(jié)合，深入挖掘與玉米重要農(nóng)藝性狀密切相關(guān)的分子模塊，以促進(jìn)玉米高通量遺傳育種將是今后人們關(guān)注的重點(diǎn)，也是實(shí)現(xiàn)玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀改良的理論基礎(chǔ)。

多學(xué)科的交叉與融合

玉米分子模塊設(shè)計(jì)育種作為一個(gè)多學(xué)科的集合與交叉，是一項(xiàng)高度綜合的系統(tǒng)工程，需要將基因組學(xué)、表型組學(xué)、計(jì)算生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)相結(jié)合，對(duì)控制玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀的分子模塊進(jìn)行解析、組裝、耦合，并進(jìn)行新型品種的分子設(shè)計(jì)和培育。但值得注意的是，目前我國(guó)玉米育種隊(duì)伍比較分散，研究缺乏持續(xù)性和系統(tǒng)性。因此，在今后的育種工作中需要高度整合資源，加強(qiáng)多學(xué)科交叉和共性技術(shù)集成以加強(qiáng)玉米分子育種平臺(tái)的建設(shè)，完善和促進(jìn)玉米分子模塊設(shè)計(jì)育種體系。利用分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)無(wú)疑能夠全面解析控制玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀的重要分子模塊，通過(guò)多模塊的耦合和組裝模擬，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性狀的定向改良，培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的玉米新品系。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)對(duì)于保障我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家糧食安全具有重大的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義。在過(guò)去的幾十年里，我國(guó)玉米育種取得了舉世矚目的成績(jī)，總產(chǎn)不斷上升，但是單產(chǎn)相對(duì)較低。將分子模塊設(shè)計(jì)育種充分應(yīng)用到玉米育種工作中，是將分子生物學(xué)前沿知識(shí)與生產(chǎn)育種實(shí)踐的緊密結(jié)合，對(duì)于玉米育種的發(fā)展，特別是對(duì)于玉米復(fù)雜性狀的遺傳改良具有重要的引領(lǐng)作用。玉米分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系的建立，將有助于提升我國(guó)農(nóng)作物育種的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)從“經(jīng)驗(yàn)育種”向“精準(zhǔn)育種”的轉(zhuǎn)化，加速我國(guó)玉米新品種的選育進(jìn)程。（作者：郝懷慶 劉麗麗 姚遠(yuǎn) 馮雪 李志剛 晁青 夏然 劉宏濤 王柏臣 秦峰 謝旗 景海春 中國(guó)科學(xué)院植物研究所北京 中國(guó)科學(xué)院重大科技任務(wù)局北京 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所北京中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所上海 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院北京《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）