1、 第六章第六章 分子设计育种分子设计育种我想让你长什么样就长什么样我想让你长什么样就长什么样 传统育种技术的缺陷传统育种技术的缺陷在促进粮食产量增加的诸多科技因素中，育种的贡献占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：三方面的缺陷：一是育种周期长一是育种周期长，从杂交到育出品种一般需要七八年甚至十多年；，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，每年要配制几十甚至几百个杂交组合，常常是能从中
2、选出一个品种就很不错了；品种就很不错了；三是预见性差三是预见性差，一般很难预测杂交后代的表现，有时即使成功，也不明白其，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。中的真正原因。例如：传统育种技术要培育抗病品种，通常是用例如：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，这样的选择要进行择，这样的选择要进行5-6代。但如果选择时田间代。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，这没有发病，就无法确定
3、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，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。结果就前功尽弃。为什么常规育种的这些问题一直困扰育种家为什么常规育种的这些问题一直困扰育种家几十年而没有解决？根本原因是什么？几十年而没有解决？根本原因是什么？根本原因根本原因:没有找到控制育种目标性状的基因及其操纵基因没有找到控制育种目标性状的基因及其操纵基因的技术。的技术。采用分子标记辅助育种技术首先就是要找到抗病基因的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分子标记，然后利用找到的标记对育种亲本及后代进行选
4、择。择。使用分子育种技术不受时间、地点的限制，能有效地解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。决常规育种长期未能解决的问题。一、分子设计育种的概念一、分子设计育种的概念 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、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，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
5、案，然后开展作物育种试验的分子育种方法。最佳方案，然后开展作物育种试验的分子育种方法。分子设计育种分子设计育种二、分子设计育种的特点二、分子设计育种的特点1.能提高效率，能够定向育种能提高效率，能够定向育种 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、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。育种效率。2.是一个结合多学科的系统工程是一个结合多学科的系统工程
6、 分子设计育种在未来实施过程中将是一个结合分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、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。学、生态学等多学科的系统工程。3.能够实现由表现型选择到基因型选择能够实现由表现型选择到基因型选择 传统的杂交育种都是育种专家根据育种材料及其后代的传统的杂交育种都是育种专家根据育种材料及其后代的“外貌外貌”（即表型性状），在田间直接选择的。（即表型性状），在田间直接选择的。分子育种是通过分子技术对育种的目标基
7、因和目标性状分子育种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。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。物育种的发展方向。三、作物分子设计育种相关基础研究现状及发展趋势三、作物分子设计育种相关基础研究现状及发展趋势 近年来，主要作物的基因组学研究，特别是拟南芥、玉近年来，主
8、要作物的基因组学研究，特别是拟南芥、玉米、水稻和小麦基因组学研究取得了巨大成就，基因定位米、水稻和小麦基因组学研究取得了巨大成就，基因定位和和QTL作图研究为分子设计育种奠定了良好基础，计算机作图研究为分子设计育种奠定了良好基础，计算机技术在作物遗传育种领域的广泛应用为分子设计育种提供技术在作物遗传育种领域的广泛应用为分子设计育种提供了有效的手段。了有效的手段。1.生物信息学遗传信息数据库中的数据呈生物信息学遗传信息数据库中的数据呈“爆炸式爆炸式”增长增长 欧洲生物信息研究所欧洲生物信息研究所EMBL数据库数据库美国国家生物技术信息中心美国国家生物技术信息中心GeneBank数据库数据库日本国
9、立遗传学研究所日本国立遗传学研究所DDBJ 数据库数据库 所有这些序列以及基因和蛋白质结构和功能的数据成为所有这些序列以及基因和蛋白质结构和功能的数据成为全世界科学界的宝贵资源和财富，这些海量的序列信息给全世界科学界的宝贵资源和财富，这些海量的序列信息给高效、快速的基因发掘和利用提供了新的契机，在若干研高效、快速的基因发掘和利用提供了新的契机，在若干研究领域实现跨越式发展甚至究领域实现跨越式发展甚至“革命革命”的时机已经到来。的时机已经到来。但是，如何收集和处理这些但是，如何收集和处理这些DNA和蛋白质信息，并在作和蛋白质信息，并在作物改良中加以应用仍是一个巨大的挑战。物改良中加以应用仍是一个
10、巨大的挑战。2 分子标记技术发展日新月异分子标记技术发展日新月异 第一代分子标记：自第一代分子标记：自20世纪世纪80年代以来，先后开发出基年代以来，先后开发出基 于于Southern 杂交的第一代分子标记杂交的第一代分子标记 (RFLP为代表为代表)第二代分子标记：基于第二代分子标记：基于PCR的第二代分子标记的第二代分子标记(SSR为代表为代表)。第三代分子标记：基于基因序列的第三代分子标记，即来自第三代分子标记：基于基因序列的第三代分子标记，即来自 cDNA序列的序列的SNP标记。标记。3.基因和基因和QTL定位研究广泛深入定位研究广泛深入 农作物的数量性状农作物的数量性状QTL定位研究
11、比较深入的作物有水稻、玉米、定位研究比较深入的作物有水稻、玉米、小麦和番茄等。从不同角度分析了小麦和番茄等。从不同角度分析了QTL的主效应、的主效应、QTL之间的互作效应、之间的互作效应、QTL与环境的互作效应等，在此基础上，进行单基因分解、精细定位与环境的互作效应等，在此基础上，进行单基因分解、精细定位和图位克隆研究。和图位克隆研究。等位基因变异的检测与表型性状的深入鉴定相结合已成为从种等位基因变异的检测与表型性状的深入鉴定相结合已成为从种质资源中发掘新基因的有效手段。利用高代回交导入系结合定向选择，质资源中发掘新基因的有效手段。利用高代回交导入系结合定向选择，大规模发掘种质资源中有利基因，
12、从而获取大规模发掘种质资源中有利基因，从而获取QTL的复等位基因在不同的复等位基因在不同遗传背景下的表达效应，以便将遗传背景下的表达效应，以便将QTL定位研究与植物育种紧密结合起定位研究与植物育种紧密结合起来，为分子设计育种提供全面、准确的遗传信息。来，为分子设计育种提供全面、准确的遗传信息。4.转基因技术和标记辅助选择方法取得一定进展转基因技术和标记辅助选择方法取得一定进展 利用转基因技术进行作物品种改良已取得一定进展利用转基因技术进行作物品种改良已取得一定进展存存在的问题：在的问题：目前转基因技术还仅限于利用主基因改良单一目标性状，目前转基因技术还仅限于利用主基因改良单一目标性状，对于由多
13、基因控制的大多数重要农艺性状，转基因技术尚对于由多基因控制的大多数重要农艺性状，转基因技术尚无法发挥其优势。无法发挥其优势。分子标记辅助选择育种对主基因控制的性状选择并不比分子标记辅助选择育种对主基因控制的性状选择并不比传统的选择方法有明显优势；对多基因控制的重要农艺性传统的选择方法有明显优势；对多基因控制的重要农艺性状，由于状，由于QTL在遗传上的复杂性、背景依赖性以及与环境在遗传上的复杂性、背景依赖性以及与环境的复杂互作，现有的的复杂互作，现有的QTL定位成果很难直接用于指导分子定位成果很难直接用于指导分子标记辅助选择育种。标记辅助选择育种。四、中国需要做什么？四、中国需要做什么？1、建立
14、分子育种数据库、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。子育种有关的数据提取出来，建立一个专门的数据库。2、开
15、发有中国自主知识产权的分子标记、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一个基本条件是要拥有大量的分分子标记辅助育种的一个基本条件是要拥有大量的分子标记。我国使用的主要是国外的分子标记，不仅数量不子标记。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
16、是目标基的新一代分子标记。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。因的一部分，使用这种标记可以对基因直接进行选择。3、开发、开发“计算机种地计算机种地”软件软件 在计算机上进行品种在计算机上进行品种“设计设计”和和“育种育种”，这就是品种设计与虚拟，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。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，根据基因信息、基因信息，设计最佳的亲本
17、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。下的生长发育，制定出一套最佳的育种方案。五、必须清楚的事情？五、必须清楚的事情？必须清楚计算机模拟分子育种技术必须和常规育必须清楚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。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
18、子育种，实现作物育种由“经验经验+艺术艺术+机遇机遇”向向科科学学转变。转变。值得思考的问题？值得思考的问题？如何利用生物技术在作物遗传改良中创造遗传变异？如何利用生物技术在作物遗传改良中创造遗传变异？转基因育种能否代替常规作物育种？转基因育种能否代替常规作物育种？生物技术在现代作物育种中有哪些方面的应用？生物技术在现代作物育种中有哪些方面的应用？简述分子标记辅助选择育种？简述分子标记辅助选择育种？简述植物转基因的主要方法有那些？简述植物转基因的主要方法有那些？玉米育种者在杂交后代分离群体中发现抗某一病害玉米植玉米育种者在杂交后代分离群体中发现抗某一病害玉米植株，研究发现其由基因株，研究发现其
19、由基因AA控制，试设计三种生物技术育控制，试设计三种生物技术育种方案，有效利用这一优异种质资源。种方案，有效利用这一优异种质资源。选择是作物遗传育种的主要工作内容，如何利用你所掌选择是作物遗传育种的主要工作内容，如何利用你所掌握生物技术提高选择效率？握生物技术提高选择效率？转基因作物育种的基本程序？转基因作物育种的基本程序？简述分子设计育种？简述分子设计育种？传统杂交育种中利用种质资源的主要障碍是生殖隔离，如传统杂交育种中利用种质资源的主要障碍是生殖隔离，如何利用生物技术打破种间的生殖隔离障碍、扩大利用优异何利用生物技术打破种间的生殖隔离障碍、扩大利用优异基因的范围？基因的范围？你认为种植转基因作物是否会对生态环境造成影响？你认为种植转基因作物是否会对生态环境造成影响？你认为食用转基因食品安全吗？你认为食用转基因食品安全吗？谈一谈转基因育种的发展趋势？谈一谈转基因育种的发展趋势？如何利用生物技术加快育种进程？如何利用生物技术加快育种进程？影响常规作物育种效率有哪些因素？如何应用现代生物技影响常规作物育种效率有哪些因素？如何应用现代生物技术提高常规作物育种效率？术提高常规作物育种效率？
