农作物育种向虚拟分子设计迈步

"十五"期间，八六三计划增设了现代农业技术主题。该主题的设置旨在突破一批对我国农业发展和农业高技术产业开发带动性强、覆盖面广、关联度高的核心技术、共性技术和配套技术，重点开发一批农业高科技产品，获得一批国内外专利，建设一批农业高科技中试与产业化示范基地，形成一批新兴农业科技产业和新的经济增长点，培育一批农业高科技企业，大幅度提升我国农业高技术研究和开发水平，力争五年内初步建立我国农业高科技创新体系。

几年来，该主题在农作物高效育种技术及优质、高产、多抗、专用新品种培育、现代节水农业技术与新产品、扩繁及现代养殖关键技术、优质高抗专用林草新品种选育技术、现代农业信息技术与精准农业等方面取得了很大进步。

农作物杂交育种，这是很多人都了解的，就是通过有性杂交的方法培育新品种。如一个品种具有高产的优良性状，另一个品种具有优质的优良性状，将这两个品种杂交，后代就可能育出既优质又高产的新品种。传统的杂交育种都是育种专家根据育种材料及其后代的"外貌"(即表型性状)，在田间直接选择的。

"近年来，一种新的育种方法———分子育种正在全世界兴起。目前国内外对分子育种技术有多种解释，我理解它是通过分子技术对育种的目标基因和目标性状进行转移和选择，进而培育出优良的新品种，通俗说法就是在分子水平上进行育种操作。使用分子育种技术可以不受外界环境条件的影响，在实验室内直接对控制目标性状的基因进行选择，它代表着作物育种的发展方向。"当我们来到中国农业科学院时，国家863计划生物和现代农业技术领域"主要农作物虚拟分子设计育种课题"负责人向我们讲解了分子育种问题。

传统育种技术的缺陷和分子育种技术的诞生

据估计，在促进粮食产量增加的诸多科技因素中，育种的贡献占1/3以上，然而目前人们使用的主要是常规育种技术，它存在三方面的缺陷：一是育种周期长，从杂交到育出品种一般需要七八年甚至十多年;二是效率低，每年要配制几十甚至几百个杂交组合，常常是能从中选出一个品种就很不错了;三是预见性差，一般很难预测杂交后代的表现，有时即使成功，也不明白其中的真正原因。

常规育种的这些问题已经困扰育种专家几十年，其根本原因是人们没有找到控制育种目标性状的基因。

在基因组学的推动作用下，产生了一项新的育种技术———分子标记辅助育种。该项目的科研人员以培育抗病品种为例解释："传统育种技术要培育抗病品种，通常是用抗病品种做亲本，与具有其他优良目标性状(比如抗倒伏)的品种杂交，从产生的后代中进行选择，这样的选择要进行5-6代。但如果选择时田间没有发病，就无法确定后代是否具有抗病性，这样经过多年选育出的材料最后可能发现是感病的，结果就前功尽弃。而采用分子标记辅助育种技术首先就是要找到抗病基因的分子标记，然后利用找到的标记对育种亲本及后代进行选择。"

据专家介绍，使用分子育种技术不受时间、地点的限制，能有效地解决常规育种长期未能解决的问题。

建立分子育种数据库

分子育种是建立在掌握大量基因信息基础上的。基因组学每天都产生大量的数据，其中有一部分正是分子育种所需要的。但这些数据分散于世界各地的数据库中，对一般育种专家来说，从中获得这些数据就像大海捞针一样困难。因此需要将分散于这些数据库中与分子育种有关的数据提取出来，建立一个专门的数据库。

在"主要农作物虚拟分子设计育种课题"中，有一项内容就是建立我国的分子育种00数据库。"我们课题组目前已经完成了数据库骨架的建构，初步建立了DNA与蛋白质数据库的数据格式、物理模型，为数据库的建立奠定了基础。目前，库中该数据库中已保存一大批DNA数据，其中包括基因104085个，分子标记1416个。"

开发有中国自主知识产权的分子标记

分子标记辅助育种的另一个基本条件是要拥有大量的分子标记。"需要指出的是，到目前为止，我国使用的主要是国外的分子标记，不仅数量不能满足需要，而且使用这些标记常常受到限制。此外，目前所用的分子标记大部分只是和目标基因相连锁，其本身并不是目标基因。因此有必要开发具有我国自主知识产权的新一代分子标记。这种新一代分子标记本身就是目标基因的一部分，使用这种标记可以对基因直接进行选择。

"目前，课题组已建立了大规模开发新型分子标记的技术体系，利用该技术体系，已经发现了2万个后选分子标记，有1000多个有功能的分子标记已得到验证，其中有258个可以在小麦、水稻、玉米、大麦等四种作物上应用。这是我国第一次大规模进行分子标记的开发，目前已为国际水稻所提供了98个分子标记。"专家介绍到此时，喜悦之情溢于言表。

开发"计算机种地"软件

据介绍，作物育种涉及的基因数量多，育种后代的群体大，而且受自然环境的影响。因此，计算分析必须借助于计算机才能完成。最新的方法是在计算机上进行品种"设计"和"育种"，这就是品种设计与虚拟育种。这种方法能缩短育种周期，提高育种效率。

品种设计与虚拟育种的主要内容包括利用数据库提供的种质资源信息、基因信息，设计最佳的亲本组合、分析基因的效应，根据基因在育种不同世代的分离情况设计最佳群体。模拟育种材料在不同条件下的生长发育，制定出一套最佳的育种方案。"课题组的任务之一是编制一些模拟软件。杂种优势分析软件、部分标记辅助选择预测软件、数量性状分析软件的编制目前已完成，其中数量性状分析软件已广泛应用于国内外。当然，计算机‘育种’必须与育种实践相结合，受实践的检验，并根据实践结果对软件进行修改，这就是一个实践—理论—实践循环往复的过程。"

将分子育种数据库、分子标记、基因资源信息及分子育种计算机软件汇总在一起，建立一个"分子育种信息平台"即"中国作物分子育种信息网"，目前该网在建设之中，主页设计已完成，预计年底可以开通，到时候我国的分子育种科技工作者就能够从网上及时找到所需的信息。

最后专家指出，计算机模拟分子育种技术必须和常规育种方法结合起来，才能出成果。当前的努力方向应该是逐步提高分子技术在分子标记辅助育种中的技术含量，从而实现真正的分子育种，实现作物育种由"经验+艺术+机遇"向科学转变。

■链接

分子育种数据库包含九个应用子库

1.基因表达序列标签数据库;2.蛋白质数据库;3.分子标记数据库;4.转录因子数据库;5.抗病基因数据库;6.抗逆基因数据库;7.蛋白激酶数据库;8.原始文献数据库;9.同源序列数据库和功能基因分类管理数据库。

虚拟分子设计育种取得成就的应用全景

1.开发的通用分子标记可用于水稻、小麦、玉米等多种作物的分子育种，解决我国分子育种缺乏分子标记问题。构建三大作物比较分子图与比较性状图对于三大作物的信息共享将具有重要价值。

2.建立的计算机模拟育种体系可以有效提高亲本选配与后代选择的成功率

3.获取的携带已知重要基因的优异种质(抗病、抗逆、优质)可以广泛用于全国的分子育种与常规育种，培育出一批优良新品种

4.建立的数据库与信息网站，可以使科研人员正确迅速的获取所需数据，大大缩短科研周期。

■我说863

喻树迅(现代农业技术主题专家组组长)

863计划现代农业技术主题遵循"有限目标、重点突出;加强创新、提高竞争;建设技术平台，加强集成应用;大力推广产业，实现跨越式发展"的原则。

主题自2001年立项以来，在专利申请和标准制定、技术突破和工艺创新、新品种培育和新产品研发、人才培养和队伍建设、基地建设和企业培育方面取得了一系列重要进展和突破性成果。

据不完全统计，主题共申请国内外发明专利222件，授权72件，获省部级以上成果158项，审定新品种566个，获保护权41个，累计推广面积4.3亿亩，出版专著67部，发表论文2223篇，SCI、EI收录论文135篇，成果创直接经济效益115.5亿元。

重大成果主要体现在超级杂交水稻、优质、多抗棉花新品种选育、新型缓/控释肥料技术、树木体细胞胚胎发生及其产业化方面。温敏核不育基因辅助群体改良技术，早熟不早衰生化遗传辅助育种技术体系，生物工程技术与常规育种技术相结合技术，将远缘有利基因导入超级杂交稻、棉花亲本材料中，选育出亩产可达900公斤的超级杂交水稻组合;培育成优质棉01-618品系，绒长36mm，比强40cN/tex，mic3.7-4.0，育成我国第二个拥有自主知识产权双价转基因抗虫棉中棉所45，成功克隆水稻抗稻瘟病基因P19、抗白叶枯病基因Xa21、棉花早衰基因Ghcysp、水稻抗病信号转导与调控基因BWMK1和OsLSD1，用基因芯片技术研究超级杂交稻F1代杂种优势形成的分子基础，建立落叶松优良无性系、落叶松杂种新种质材料细胞系库，成功研制了缓释尿素、控释磷铵、新型缓释剂和绿色控释多养分肥料，能显著延缓尿素在土壤中的水解速率和减少氮素损失，能显著减少土壤对磷的固定和氮的损失，提高利用率和延长肥效。