标题：水稻分子育种
水稻分子设计育种
（Perspectives of Molecular Design Breeding in Rice）
水稻优质、 多抗、 抗逆与高产作物新品种的选育和推广是实现我国粮食安全的重要途径。目前大多数育种工作仍然建立在表型选择和育种家的经验之上 ,育种效率低下;另一方面 ,生物信息数据库积累的数据量极其庞大 ,由于缺乏必要的数据整合技术 ,可资育种工作者利用的信息却非常有限。水稻分子设计育种将在多层次水平上研究水稻所有成分的网络互作行为和在生长发育过程中对环境反应的动力学行为;继而使用各种 “组学” 数据 ,在计算机平台上对水稻的生长、 发育和对外界反应行为进行预测;然后根据具体育种目标 ,构建品种设计的蓝图;最终结合育种实践培育出符合设计要求的水稻新品种。
设计育种的核心是建立以分子设计为目标的育种理论和技术体系 ,通过各种技术的集成与整合 ,对生物体从基因(分子)到整体(系统)不同层次进行设计和操作 ,在实验室对育种程序中的各种因素进行模拟、 筛选和优化 ,提出最佳的亲本选配和后代选择策略 ,实现从传统的 “经验育种” 到定向、 高效的 “精确育种” 的转化 ,以大幅度提高育种效率。
1　 作物分子设计育种相关基础研究现状及发展趋势，
1.1 生物信息学遗传信息数据库中的数据呈 “爆炸
式” 增长
1.2 分子标记技术发展日新月异
1.3 基因和 QTL 定位研究广泛深入
1.4 基因电子定位与电子延伸得到应用
2 我国开展分子设计育种的时机已经成熟
模式植物拟南芥和水稻的全基因组序列测定的完成 ,使得植物基因组学研究由结构基因组向功能基因组等各种 “组学” 迅猛发展。基因组学和蛋白组学借助生物信息学的力量让人们从分子水平上了解植物亚细胞生理活动及真核生物的多细胞是如何组
成并实现其复杂的功能 ,各种 “组学” 把传统生物学迅速带入了系统生物学的新时代 ,这一革命性的改变催生了分子设计 (molecular design) 的概念。目前 ,已有许多研究机构在做前期准备工作 ,朝此方向发展。美国农业部已投资在十几个研究单位建立
各种作物的数据库 ,这些数据库的整合将成为未来分子设计育种的重要基础。其他比较有影响的研究机构如美国的先锋公司、 澳大利亚的昆士兰大学和CSIRO ,以及国际玉米小麦改良中心在基因型到表型建模、 基因型与环境互作分析及育种模拟等方面
开展了研究。中国水稻所 2004 年提出水稻基因设计育种的概念 ,就是在水稻全基因组测序完成后 ,在主要农艺性状基因功能明确的基础上 ,通过有利基因的剪切、 聚合 ,培育在产量、 米质和抗性等多方面有突破的超级稻新品种。
目前我国开展分子设计育种的时机已经成熟 ,其主要表现有以下 4 个方面。(1)我国已拥有生物信息学的研究力量和技术。我国是世界上首次对水稻全基因组测序并对水稻第4染色体精细测序的国家之一。在测序的过程中 ,生物信息学手段是完成序列组装和分析的关键。能完成这些大量的测序任务 ,本身就说明我国已拥有很高的生物信息学研究水平。另外 ,从基因组序列、 EST信息和全长 cDNA序列中发掘新标记和新基因的工作也已取得了一定进展。(2)已开展虚拟分子育种。我国利用分子数量遗传学和计算机技术研究 QTL 作图、 QTL 与环境之间的关系方面位于国际同等水平 ,国家高技术研究发展计划(863计划)已经资助开展主要农作物的虚拟育种研究 ,在回交育种、 聚合育种、 杂种优势预测和亲本选配的计算机模拟研究等方面已经取得了一定进展。(3)已拥有建立大型的数据搜集和处理系统的技术和经验。我国的国家作物种质资源信息系统已建立多年 ,目前该系统中储存的数据已达数千万项 ,在大型数据库的建立、 完善和维护方面积累了丰富的经验。(4)已拥有基因作图、 比较基因组学研究、 等位基因多样性研究等关键技术。我国在作物的基因作图方面开展得比国外晚 ,但近年来进步很大 ,并且涉及到各种重要作物的大多数重要性状。利用DNA和蛋白质序列信息,针对特定基因或基因类型进行作图在水稻之外的其他作物上也发展很快。此外,我国已开展小麦族内的物种之间、 禾本科作物之间的比较基因组学研究,并取得了一定进展,正在开展的等位基因多样性研究也已取得阶段性成果。与国外同类研究相比 ,我们的差距主要存在以下3个方面。(1)主要农艺性状基因发掘和功能研究存在不足。近十年来 ,我国利用分子标记 ,在水稻、 小麦、 玉米等主要作物中已经开展了大量的基因(特别是 QTL) 定位研究 ,积累了大量的遗传信息。但这些信息还处于零散的状态 ,缺乏集中、 归纳和总结;对不同遗传背景和环境条件下 QTL 效应、 QTL的复等位性以及不同 QTL 之间的互作研究不够系统全面 ,不利于QTL 定位的成果转化为实际的育种效益;重要农艺性状的遗传基础、 形成机制和代谢网络研究还很欠缺 ,而这些正是分子设计育种的重要信息基础。同时 ,缺乏拥有自主知识产权的计算机软件 ,限制了将已有的基因或 QTL 信息应用到实际育种中去。(2)分子设计育种相关的信息系统不够完善。在国家高技术研究发展计划(863 计划)和国家重点基础研究发展计划(973 计划)等项目的大力支持下 ,主要农作物主要经济性状遗传研究取得了很大进展 ,国家已全面启动水稻等主要粮食作物主要经济性状的功能基因组研究 ,但是距全面了解作物所有性状的遗传基础还比较遥远。我国现有的生物信息数据库中 ,已明确功能和表达调控机制的基因信息比较匮乏;在转录组学、 蛋白组学、 代谢组学以及表型组学等方面的研究与国际上存在较大差距 ,作物种质资源信息系统中 ,能被分子设计育种直接应用的信息还很有限。(3)分子设计育种理论研究相对滞后。目前 ,国内已经开始意识到分子设计育种将会成为未来作物育种的发展方向 ,但大多尚停留在概念上 ,还没有真正开展分子设计育种的理论建模和软件开发工作。
3 　 我国作物分子设计育种的研究重点
我国的作物分子设计育种研究应集中在以下 3个方面。重要农艺性状基因Π QTL 高效发掘构建水稻、 小麦、 玉米、 大豆和棉花等作物的高代回交导入系群体 ,通过大规模回交导入系并结合定向选择 ,消除复杂的遗传背景对基因Π QTL 定位精度的不良影响 ,高效发掘种质资源中重要农艺性状的基因Π QTL。通过不同轮回亲本和供体亲本配制的高代回交组合定位结果的分析比较 ,探明基因Π QTL的一因多效、 多因一效、 同一基因Π QTL 位点的复等位性、 基因Π QTL 之间的上位性互作、 基因Π QTL 与遗传背景之间的互作、 基因Π QTL 与环境互作等信息。高代回交导入的遗传背景高度纯化 ,便于直接对主效应大、 表达稳定的基因Π QTL 进行精细定位。
建立核心种质和骨干亲本的遗传信息链接核心种质以最小的资源数代表最大的遗传多样性 ,即保留尽可能小的群体和尽可能大的遗传多样性;骨干亲本则是当前作物育种中广泛使用并取得较好育种成效的育种材料 ,其中含有大量有利基因资源。发掘这两类材料中的遗传信息并建立其分子设计育种信息系统和链接 ,可以快速获取亲本携带的基因及其与环境互作的信息 ,为分子设计育种模型精确预测不同亲本杂交后代在不同生态环境下的表现提供信息支撑。建立主要育种性状的 GP模型GP(Genotype to phenotype)模型描述不同基因和基因型、 以及基因和环境间是如何作用以最终产生不同性状的表型 ,从而可以鉴定出符合不同育种目标和生态条件需求的目标基因型 ,因此 GP 模型是分子设计育种的关键组成部分。GP 模型利用发掘的基因信息、 核心种质和骨干亲本的遗传信息链接提供的信息 ,结合不同作物的生物学特性及不同生态地区育种目标 ,对育种过程中各项指标进行模拟优化 ,预测不同亲本杂交后代产生理想基因型和育成优良品种的概率 ,大幅度提高育种效率。
4 　 分子设计育种实例
Peleman和van der Voort 对 “设计育种” (Breedingby design)这一名词进行了商标注册,他们认为分子设计育种应当分3步进行: (1)定位所有相关农艺性状的QTL ; (2)评价这些位点的等位性变异; (3)开展设计育种。这里结合我们在水稻上的一些研究结
果说明分子设计育种的过程。
研究育种目标性状的 QTL
这一过程包括构建作图群体、 筛选多态性标记、构建标记连锁图谱、 评价数量性状的表现型和 QTL分析等步骤。这里有一包含 65 个染色体片段置换系( chromosome segment substitution line , CSSL) 的群体 ,产生这一群体的 2 个亲本分别为粳稻 Asominori(背景或轮回亲本) 和籼稻 IR24 (供体或非轮回亲本)。每个CSSL 包含一个或几个来自 IR24的染色体片段,其余染色体来自背景亲本Asominori。所有供体染色体片段覆盖了 IR24 的整个基因组,不同染色体片段用不同的 RFLP标记表示。根据粒长的观测值 ,可以通过分析不同标记基因型间粒长的差异显著性来判断哪些片段上携带有影响粒长的 QTL。存在 QTL 的可能性常用 LOD 值的大小来衡量(图 12A) ,图 12A 清楚表明标记 M23和M34 代表的染色体片段上包含有控制粒长的QTL ,它们分别解释粒长表型变异的 3619 %和819 % ,因此可视为主效 QTL ,尤其是 M23 染色体片段上的QTL。 但这2个QTL 加性效应的方向相反(图22 B) ,即对于标记 M23 上的 QTL 来说 ,来自 IR24 的等位基因使粒长增加 ,来自Asominori 的等位基因使粒长减小;对于标记 M34 上的 QTL 来说 ,来自 IR24的等位基因则使粒长减小 ,来自Asominori 的等位基因使粒长增加。
实践中 ,可根据不同研究目的选择 LOD 临界值去判定QTL 的存在 ,如果研究目的在于QTL 的克隆和功能分析 ,则判定QTL 存在时应选择较高的 LOD临界值 ,如310或更高 ,以避免假阳性;如果目的在于预测基因型 ,则假阳性不会对结果造成较大的负面影响 ,此时可选择较低的 LOD 临界值 ,如 110 ,以保证效应较小的 QTL 也能鉴定出来。在上面的实例中 ,当采用0183 的临界值时(对应于显著性水平0105) ,我们一共鉴定出 13 个控制粒长的 QTL ,8 个控制粒宽的QTL ,同时也鉴定出一些上位性QTL。
结合育种目标设计目标基因型这一过程利用已经鉴定出的各种重要育种性状QTL的信息 ,包括 QTL 在染色体上的位置、 遗传效应、 QTL 之间的互作、 QTL 与背景亲本和环境之间的互作等 ,模拟预测各种可能基因型的表现型 ,从中选择符合特定育种目标的基因型。在我们的例子中 ,Asominori 是短粒和宽粒型品种 ,IR24是长粒和窄粒型品种 ,但它们的 CSSL 后代在2个性状4个方向上均有超亲分离现象,因此2个性状的增效 QTL 和减效 QTL 在 2 个亲本中应该分散分布。通过对粒长的QTL 作图 ,发现在染色体片段M6、 M12、 M14、 M23 和M25 上的 5 个 QTL 具有正效效应 ,即对于这些座位上的 QTL 来说 ,来自 IR24的等位基因使粒长增加;对于粒宽 ,只有一个 QTL具有正效效应 ,说明增加粒宽的大多数基因来自Asominori。除此之外还发现一些染色体片段如M10、 M12、 M14 和M23 ,同时携带有既控制粒长又控制粒宽的QTL ;在片段M10上 ,QTL 对粒长和粒宽效应都是正向的;在其他片段上 ,QTL 对粒长和粒宽效应却相反。这一点与根据表型估计的相关系数 r =- 0.34一致。
根据上面的信息 ,可以预测各种可能的基因型的表现型(图 2) ,发现最小和最大粒长基因型的粒长分别是4.20 mm和 6.21 mm ,最小和最大粒宽基因型的粒宽分别是 2.12 mm和 3.07 mm。假定育种目标是长粒和宽粒型 ,由于一些QTL 在 2 个性状上有负向的一因多效现象 ,不可能获得一个基因型既具有图2中最大粒长又具有最大粒宽。经模拟我们发现一个设计基因型 ,其粒长为 6.05 mm ,粒宽为3.00 mm ,接近最大粒长 6.21 mm 和最大粒宽 3.07mm(图2) 。至此我们设计出一个最符合长粒和宽粒型这一育种目标的基因型。
达到目标基因型的途径分析
获得图2中的设计基因型,需要 IR24 的 4 个染色体片段 ,即 M1、 M6、 M23 和 M25。在 65 个 CSSL中 ,CSSL5 包含片段 M6 ; CSSL16 包含片段 M1 和M23 ;CSSL19包含片段M25 ;因此可以作为产生设计基因型的亲本材料。但 CSSL19 包含有我们不需要的片段 M12 , 在选择过程中需要将其替换为Asominori 的片段。
3个亲本间的三交(又称顶交)组合有可能将我们需要的染色体片段聚合在一起 ,产生三交组合的方式有3 种 ,即三交组合 1 : (CSSL5 ×CSSL16) ×CSSL19 ; 三交组合 2 : (CSSL5 ×CSSL19) ×CSSL16和三交组合3 : (CSSL16 ×CSSL19) ×CSSL5。假定采用标记辅助方法选择目标基因型,可供选择的方案有很多,这里只考虑其中的 2 种,标记选择方案1 :产生100个三交 F1 个体 ,每个产生30个 F2 个体 ,利用单粒传共产生 3 000 个 F8 家系 ,然后从中选择目标基因型;标记选择方案 2 :产生 100 个三交 F1 个体 ,通过标记辅助选择只保留含有目标染色体片段的个体 ,每个中选个体产生 30 个 F2 个体 ,利用单粒传产生 F8 家系 ,然后从中选择目标基因型。以上过程借助遗传育种模拟工具QuCim实现。对每个三交组合 ,2 种标记选择方案得到的 F8家系数相等(表 1) 。从三交组合 1 平均获得 716 个目标基因型 F8 家系 ,三交组合 2 平均获得 2318 个 ,三交组合3平均获得1118个(表1) 。但从2种标记择方案1来说 ,每个中选的 F8 家系需要测试的DNA样品数是395 ,对标记选择方案 2 来说 ,这个数字只有60。因此 ,包含两个阶段标记选择的方案 2 在基因聚合过程中可以大大地降低实验室测定标记的花费。不同三交组合获得目标基因型的几率有显著差
异。三交组合2的几率最高 ,达0181 % ,组合1的几率最低 ,只有0125 %。因此三交组合 2 结合标记选择方案2是最佳的实现目标基因型的途径。5 　 分子设计育种展望作物分子设计育种是一个新的概念,它以生物信息学为平台 ,以基因组学和蛋白组学等若干个数据库为基础 ,综合作物育种学流程中的作物遗传、 生理、 生化、 栽培、 生物统计等所有学科的有用信息 ,根据具体作物的育种目标和生长环境 ,在计算机上设计最佳方案 ,然后开展作物育种试验的分子育种方法。与常规育种方法相比 ,作物分子设计育种首先在计算机上模拟实施 ,考虑的因素更多、 更周全 ,因而所选用的亲本组合、 选择途径等更有效 ,更能满足育种的需要 ,可以极大地提高育种效率。值得指出的是 ,分子设计育种在未来实施过程中将是一个结合分子生物学、 生物信息学、 计算机学、 作物遗传学、育种学、 栽培学、 植物保护、 生物统计学、 土壤学、 生态学等多学科的系统工程。作物分子设计育种是一个综合性的新兴研究领域 ,将对未来作物育种理论和技术发展产生深远的影响。因此 ,我们应该把握机遇 ,充分利用植物基因组学和生物信息学等前沿学科的重大成就 ,及时开展品种分子设计的基础理论研究和技术平台建设。实现分子设计育种的目标 ,将会大幅度提高作物育种的理论和技术水平 ,带动传统育种向高效、 定向化发展。
阳海宁简介
硕士           广西大学 生科院 生物化学与分子生物学 专业 分子遗传学方向（分子标记辅助育种）。
研究兴趣：主要利用水稻重要性状功能基因、QTLs的开展分子育种（常规育种与生物技术结合）。
近期目标：增强长江上游水稻骨干亲本的抗性水平、提高杂交水稻品质，特别注重发掘与利用水稻瘟病 
广谱抗性基因资源。
研究经历:
1.用分子标记结合田间鉴定等手段完成了包括水稻抗白叶枯病基因Xa23和抗褐飞虱基因Bph3,24的聚 
合，高通量改良了大批生产上常用的细胞质不育系、光温敏不育系、恢复系；
2.构建了大批广亲和基因S5-n基因，DEP1,Rf3，Rf4，等单基因导入系；
3.对新的广亲和性材料进行了鉴定初步定位；
4.改进Xa23 的STS 分子标记。