米飯，是我們再熟悉不過的糧食了。如果說水稻也能像設(shè)計(jì)工業(yè)品一樣被“定制”，例如讓米飯富含某種特定營養(yǎng)，甚至讓米粒變成彩色既好看又好吃，你是否會(huì)覺得這是天方夜譚？
雖然距離“像設(shè)計(jì)工業(yè)品一樣設(shè)計(jì)水稻”還有很長的路要走，但目前我省科學(xué)家已讓不少天方夜譚的想法變成了現(xiàn)實(shí)，如讓米飯更香、口感更好、改變水稻耐高低溫或鹽堿的能力等。
助力這一夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的“幕后功臣”便是分子育種技術(shù)，它也被眾多專家看成是“未來水稻育種”的方向。那么，分子育種技術(shù)是如何讓水稻心甘情愿改變“性情”的？相比傳統(tǒng)育種它又有何優(yōu)勢？廣東水稻分子育種技術(shù)在全國又是處于什么水平呢？
1 目標(biāo)是啥？ 通過分子技術(shù)改良生物品種
“你看這株秧苗，它旁邊其他植物都被除草劑殺死，只有它還是綠油油的?！鄙钲谑凶魑锓肿釉O(shè)計(jì)育種研究院常務(wù)副院長、國家“千人計(jì)劃”專家唐曉艷指著該院二樓辦公室的展板介紹，這是她5年前研制出的非轉(zhuǎn)基因、具有抗除草劑特性的廣適優(yōu)良秈稻新品系，目前在湛江雷州市試種，因其有利于水稻直播，能減少水稻種植過程中勞動(dòng)力投入，降低成本提高收入，深受當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的青睞。
這一具有抗除草劑特性的廣適優(yōu)良秈稻新品系，只是該院幾大核心研究成果之一。唐曉艷所在團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究成果是廣三系雜交育種技術(shù)體系??一個(gè)被袁隆平稱贊為“3G育種技術(shù)”的體系。
在中了解到，無論是抗除草劑特性的廣適優(yōu)良秈稻新品系，還是廣三系雜交育種技術(shù)體系，都離不開當(dāng)前育種界的“熱門”??分子育種技術(shù)，它也被眾多專家看成是未來育種的方向。
那么，什么是分子育種呢？廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所所長王豐告訴，分子育種包括利用分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因編輯技術(shù)和全基因組選擇技術(shù)開展的育種，可以按照人的意愿進(jìn)行定向改造水稻的某些性狀，使現(xiàn)有品種更加趨于完善，是更高效、更精準(zhǔn)的水稻新品種培育技術(shù)體系，“分子標(biāo)記輔助育種是通過尋找與重要農(nóng)藝性狀緊密連鎖的DNA分子標(biāo)記，從基因型水平上實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)性狀的直接選擇，從而加快育種進(jìn)程，提高育種效率，選育抗病、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的品種?！蓖踟S說，“分子標(biāo)記輔助育種不涉及轉(zhuǎn)基因，與常規(guī)的雜交育種原理一樣，只是把分子標(biāo)記當(dāng)成一個(gè)工具來輔助育種?！?/span>
2 原理是啥？ 改變基因堿基或讓基因功能失活
日常生活中，大家煮飯或吃飯的時(shí)候，常常能聞到米飯有一股淡淡的香味，王豐介紹，水稻多數(shù)品種原本是沒有香味的，但為何目前很多高檔優(yōu)質(zhì)米都有香味呢？這是因?yàn)樗局械腂AD2基因突變，缺失了8個(gè)堿基，導(dǎo)致基因功能的喪失，使產(chǎn)生香味的代謝物質(zhì)乙烯吡咯啉不能轉(zhuǎn)化，從而累積在稻米中，使米飯有芳香味。
在分子育種方面，科學(xué)家也可以通過基因編輯技術(shù)對控制各種性狀的DNA片段即基因中的堿基進(jìn)行編輯，從而導(dǎo)致基因的功能改變，最終使得由其控制的性狀也發(fā)生改變。王豐解釋，“目前，我們可以通過基因編輯的方法，改變BAD2基因的1?2個(gè)堿基，使基因的功能失活，從而達(dá)到水稻品種由無香變?yōu)榉枷憧煽诘哪康??！?/span>
對于分子育種之所以會(huì)出現(xiàn)，唐曉艷認(rèn)為，這與基因功能的研究發(fā)展密切相關(guān)。上世紀(jì)80年代中期以后，隨著稻米市場的逐步開放和生活水平的不斷提高，單一追求產(chǎn)量的超高產(chǎn)水稻品種難以滿足市場的需求，“在人們的溫飽問題解決后，越來越多的人希望能吃到 好吃 的大米?！碧茣云G說。
因此，改善稻米綜合品質(zhì)，成了育種專家和稻米企業(yè)共同追求的目標(biāo)。但水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)均為復(fù)雜的數(shù)量性狀?！叭绾螌⑦@些高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗多種病蟲的各種復(fù)雜性狀調(diào)控和諧、有序地整合于當(dāng)前主栽品種，則是傳統(tǒng)育種面臨的技術(shù)困境，而基于基因功能研究以及當(dāng)前生物學(xué)技術(shù)進(jìn)步的分子設(shè)計(jì)育種，就展現(xiàn)出了巨大的技術(shù)優(yōu)勢。因此，分子育種技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生?！碧茣云G表示。
王豐介紹，目前國內(nèi)外的一些育種專家也正是利用分子育種技術(shù)來改善抗性、稻米綜合品質(zhì)?？偟膩碚f，廣東在這一方面是走在全國前列的。
近年來，王豐所在的廣東省農(nóng)科院水稻所就通過與國際水稻研究所合作，系統(tǒng)開展了水稻三黃占2號的稻瘟病持久抗性分子遺傳機(jī)制研究，標(biāo)記定位了6個(gè)稻瘟病持久抗性基因，并克隆了其中1個(gè)抗病QTL和1個(gè)主效基因。稻瘟病的研究還獲得了國家自然科學(xué)基金國際合作重大項(xiàng)目的資助。
此外，“十二五”以來，已標(biāo)記定位出水稻稻瘟病抗性、耐冷性、耐熱性、高收獲指數(shù)等性狀的相關(guān)基因（QTL）74個(gè)；克隆和功能驗(yàn)證13個(gè)與稻瘟病抗性和耐冷性相關(guān)基因；通過分子標(biāo)記輔助選擇創(chuàng)建了一批優(yōu)良的水稻新種質(zhì)?！胺肿佑N可以說是給水稻做 優(yōu)生優(yōu)育 。”王豐形象地比喻。
3 有何優(yōu)勢 選育新品種可以更精準(zhǔn)高效
傳統(tǒng)的育種，育種專家要想獲得一個(gè)性狀良好（抗性、株型、品質(zhì)、產(chǎn)量等）的材料，往往通過雜交或回交轉(zhuǎn)育后，只能憑借自己的經(jīng)驗(yàn)在浩如煙海的水稻后代中觀察、選擇，費(fèi)時(shí)費(fèi)力?！坝行﹤鹘y(tǒng)的育種專家甚至一輩子都無法選育出自己想要的品種?！蓖踟S感慨道。
“采用分子育種就不會(huì)出現(xiàn)這種情況，它相當(dāng)于給育種專家增加了一種更為精準(zhǔn)的技術(shù)手段?！碧茣云G說，分子標(biāo)記輔助育種，可以利用與目標(biāo)性狀緊密連鎖的DNA分子標(biāo)記對目標(biāo)性狀進(jìn)行間接選擇。即利用與目標(biāo)性狀基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，對目標(biāo)性狀進(jìn)行跟蹤選擇，能克服目標(biāo)性狀在田間受環(huán)境因素影響的困難，而且在早代就能夠?qū)δ繕?biāo)基因的轉(zhuǎn)移進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的選擇，克服隱性基因利用時(shí)識(shí)別的困難，從而能夠加速育種進(jìn)程，提高育種效率。
“它（分子育種）實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng) 經(jīng)驗(yàn)育種 ，逐漸轉(zhuǎn)變成以基因組信息為依據(jù)的 精準(zhǔn)育種 。”王豐解釋，在實(shí)驗(yàn)室就可以快速排除非目標(biāo)單株，誤判的概率在5%以下，避免了大量的田間篩選工作，這樣選育一個(gè)新品種時(shí)間可以大大縮短。
4 未來方向 像設(shè)計(jì)工業(yè)品一樣設(shè)計(jì)水稻
同樣屬于分子育種范疇的DNA重組轉(zhuǎn)基因技術(shù)也具有準(zhǔn)確快速的特點(diǎn)。DNA重組轉(zhuǎn)基因技術(shù)，可以針對作物品種的某個(gè)缺點(diǎn)，針對性地導(dǎo)入一個(gè)或幾個(gè)功能基因，克服其缺陷。目前在全世界廣泛種植推廣的轉(zhuǎn)基因抗蟲抗除草劑農(nóng)作物，就是DNA重組轉(zhuǎn)基因技術(shù)的重要成果。
當(dāng)然，轉(zhuǎn)基因技術(shù)也能生產(chǎn)不帶轉(zhuǎn)基因的作物新品種，目前正在日益興起的基因編輯技術(shù)便是其中一個(gè)實(shí)例。所謂基因組編輯技術(shù)，就是通過對生物基因組特定靶位點(diǎn)進(jìn)行定向改變的新技術(shù)，在農(nóng)作物分子遺傳改良育種上已呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所所長錢前舉例說，大米口感好不好主要取決于兩個(gè)基因，弄明白這一點(diǎn)，育種專家就可以對不同品種進(jìn)行相應(yīng)的置換和改造，得到想要的口味。
“廣三系雜交育種技術(shù)是另一個(gè)實(shí)例”。唐曉艷闡述道。廣三系不育系糅合了傳統(tǒng)“三系法”和“兩系法”的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者存在的缺點(diǎn)??在提高水稻種質(zhì)資源利用率至接近100%的同時(shí)，又避免了自然條件（光溫）對不育系育性的影響，大大降低了雜交制種的風(fēng)險(xiǎn)。這兩個(gè)目標(biāo)要同時(shí)實(shí)現(xiàn)，在分子育種出現(xiàn)前幾乎不可能。如今能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，分子育種技術(shù)“功不可沒”。
不過，唐曉艷認(rèn)為，上述技術(shù)還有比較長的路要走，首先，分子設(shè)計(jì)所涉及的基因數(shù)量巨大，這需要對基因有相當(dāng)深入的研究，需要時(shí)間和精力的投入；其次，通過DNA重組轉(zhuǎn)基因技術(shù)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)基因新品種從實(shí)驗(yàn)室研究成果到商業(yè)化產(chǎn)品，需要經(jīng)過中間試驗(yàn)、環(huán)境釋放、生產(chǎn)性試驗(yàn)、安全證書申請等環(huán)節(jié)，這一過程至少需要10年以上。
“在電腦前是選不好品種的?！蓖踟S也認(rèn)為，育種是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，因此，分子育種無論走到哪一層，一定要與傳統(tǒng)育種結(jié)合。這就需要既要做好基因的基礎(chǔ)研究，也要做好育種研究。
