应用植物基因组学的理论与方法，开发我国丰富的...

显示全部楼层 · 2021-1-29 04:42:27

应用植物基因组学的理论与方法，开发我国丰富的作物种质资源
　
贾继增
中国农业科学院作物品种资源研究所,农业部作物种质资源与生物技术重点开放实验室
　
摘要作物种质资源是作物育种的基础。它的发掘与利用在本世纪五六十年代曾引发了一场举世闻名的“绿色革命”。然而进入八十年代以来，作物育种的水平却未因质资源收集保存份数的巨增而取得大的进展，反而出现了徘徊不前的状况。分析发现这主要是由于育种亲本遗传基础狭窄所致。因此如何高效持续地发掘利用种质资源中的优良基因，是目前迫切要解决的一个重要的科学问题。基因组学的创立为解决这一科学难题创造了机遇，同时也使种质资源的竞争在基因水平上变得更加激烈，展开了一场世界性“基因大战”。文章就植物基因组学如何促进种质资源基因研究与开发进行了综述，并提出了发掘我国丰富作物种质资源中优异基因的策略与建议。
　
作物种质资源(cropgermplasm)是控制作物性状的基因的载体。因此作物种质资源又称作物基因资源(generesources)。作物育种实际上是对作物种质资源中的基因进行选择与组合，有作物种质资源就没有作物育种，由此可见作物种质资源是作物育种及其相关学科的生命物质基础。作物种质资源中一些优异基因的开发和利用可以使作物的产量取得突破性进展，如第一次“绿色革命”就是由于小麦、水稻资源中少数几个矮秆基因的开发利用引发的。我国的杂交水稻取得了巨大的成功，其中水稻资源“野败”的发现与应用起着关键的作用。
由于作物种质资源在作物育种及其它相关研究领域中起着如此重要的作用，因而世界各国政府及科学家都十分重视作物种质资源的收集保存，迄今为至，世界各国收集保存的各类物种质资源多达610万份(含重复)，其中收集保存最多的3个国家是：美国41万份，俄罗斯37万份，中国36万份。
然而作物育种的进展并未因作物种质资源收集保存份数的巨大增长而取得重大进展。与此相反，在进入80年以来，我国及世界上许多国家的作物育种反而呈现徘徊不前的状态。分析产生这种现象的原因，科学家们普遍认识到这主要是由于育种亲本的遗传基础狭窄所致(Eniqun等，1996)。这就是说，尽管各国收集保存的种质资源都很丰富，但用于作物育种的种质资源却十分贫乏。如何解决这一尖锐的矛盾，即如何从丰富的种质资源中快速、准确地鉴定出育种上迫切需要的新的优异基因，就成为目前世界上作物种质资源及作物育种迫切需要解决的一个科学问题。
植物基因组学(PlantGenomics)为作物种质资源的基因研究提供了新理论与方法
基因组学(Genomics)是近年来在基因组计划的基础上发展起来的一门新兴学科，基因组学主要研究内容是生物基因组的结构与功能，因而是研究生命现象本质的一门科学。基因组研认为是本世纪最重大的科研计划之一，它的投资强度大，参加的科技人员多，影响面广，有人甚至将其与当年的原子弹计划，当今的航天计划相提并论，统称为本世纪国际上的三个科研计划。植物基因组计划是基因组计划的重要组成部分。目前世界上的植物基因组计主要有拟南芥基因组计划、水稻基因组计划、麦类基因组计划、玉米基因组计划等。植物基因组计划近年来取得了巨的进展，产生了一系列的理论与方法，从而发展成为一门新兴学科——植物基因组学。植物基因组计划近年来的主要进展概括起来主要有以下5点：1.发现了一系列的分子标记，2.绘制出了水稻、小麦、玉米等主要农作物的高密度的遗传图谱及水稻的物理图谱等，完成了过去数十年来未能完成的工作，3.对许多重要的农艺性状基因进行了定位、作图与与标记。4.发现了禾本科作物基因组间的保守性及非部分同源染色体的重排现象。5.提出了克隆基因的新方法，克隆出了一批新基因。6.发现植物不同抗病基因的结构上的同源性或保守性。上述这些理论为作物种质资源的深入研究，特别是基因的鉴定与发掘产生了巨大的推动作用。
1.为作物核心种质的构建提供快速、有效的新方法。
核心种质(coregermplasm)又称核心样品(corecorllection)。这一概念是由澳大利亚科学家Frankel(1984)提出来的，它是指用最小的种质资源样品最大程度地代表种质资源的遗传多样性。核心种质的概念一经提出，立即受到世界各国有关科研工作者的重视。但是如何构建核心种质，各国的科学家看法不一。有人提出按产地构建核心种质；有提出按分类系统构建核心种质，有人提出按性状表现构建核心种质。分子标记是在DNA水平上直接反应种质资源遗传多样性的一种技术。它具有标记位点已知多态性高等优点，因而是研究核心种质的有力工具。目前世界上许多国家都正在用这一新方法进行核心种质构建。
2.促进种质资源研究进入“基因型鉴定(genotyping)新时期
种质资源的表现型(phenotype)是指种质资源的形态，如株植的高矮、成熟期早晚、抗病或感病等。种质资源的基因型(genotype)是指种质资源中控制性状的基因数目、显隐性、纯合或杂合等。种质资源的表现型不仅受外界环境条件的影响，而且往往是多个基因共同作用的结果，因此表现型不能反应基因型。以往的种质资源鉴定基本上限于表型鉴定(genotyping)，表型鉴定虽然对种质资源研究是非常必要的，但显然是不深入的。只有从根本上明确种质资源的携带的基因，才能经济、高效地开发利用。基因组学研究为种质资源的基因型鉴定(genotyping)提供了新的理论与方法。利用分子标记技术和已绘制的作物遗传连锁图，可以在较短时间内找到人们感兴趣的目标基因。目前各种主要作物中均有一批重要的农艺性状基因被定位与作图。特别需要出的是许多重要的农艺性状，如产量性状、抗逆性等都属数量性状，对于这类性状用传统的方法很难进和深入的研究，利用分子标标记技术，可以象研究质量性状基因位点一样，对数量性状基因位点(QTL)进行研究，目前在这方法已取得了许多重要的研究进展，如水稻的千粒重、穗粒数、株高；小麦的抽穗期、分蘖数、穗数等重要性状的QTL均已有报道。
分子标术不仅能够对已知的基因快速准确地进行定位与作图，而且对于鉴定与发现新基因具有特殊重要的作用。按照传统的种质资源鉴定的观念，只有表型性状优良的种质资源中才会有优良的农艺性状基因，即表现为高产的种质资源中才会有高产基因，表现为抗病的种质资源中才会有抗病基因。然而这一传统的观念近年来受到了强烈的冲击。Bernacchi(1996)等报道，利用番茄的野生种?Lycopersiconhirsutum?对番茄品种进行改良，可以使番茄优良品种的产量，可溶性干物质含量及果色分别提高48%、22%和33%。据报道，在水稻的野生种?Oriza.rufipogon?中，也已发现了两个能使杂交种杂交种产量提高17%的QTL位点，并且类似的结果在南朝鲜和哥伦比亚的实验中得到重。实际上，这些结果早已有报导，只是没有引起人们的注意。如Feldman在1993年就报导过利用普通小麦与二粒小麦杂交并回交，在其后代中可选出比推广品种产量提高19%的品系。我们实验室在用粗山羊草与小麦杂交，并用小麦进行回交，在其后代中也曾选出穗粒数超双亲的品系，(孔令让，1996)。
上述发现是对种质资源鉴定评价传统观念的一个挑战，即仅仅从表型性状来进行种质资源评价特别是对数量性状进行评价是不全面的，其结果将会使一些携带有宝贵基因的种质资源被埋没，而正是这些种质资源携带有尚未被开发利用的新基因，些基因的开发与利用将可能使育种取得突破性进展。由此可见，对种质资源进行基因型鉴定，将会有许多新的尚未开发利用的基因被发现，这将会大大拓宽作物育种的物质的基础，使作物育种取得突破性进展。
3.基国组学研究为基因克隆开避了新途径
从植物的基因组中克隆有重要经济价值及科学研究价值的目的基因，进而用遗传工程的手段将其转移到另一个物种或品种中，并对其结构与功能进行研究，是遗传工作者一直向往并勤奋追求的一个研究方向。
克隆基因的方法过去通常是根据基因的产物——蛋白质序列来进行的。但是由于大多数基因的产物是未知的，因而使用这种方法克隆的基因的非常有限。基因组学的发展为基因克隆开辟了新的途径。根据目标基因在染色体遗传图谱及物理图谱中的位置，采用染色体步移法(chromosomalwalking)进行基因克隆，称为图位克隆(map-basedcloning)。使用这种方法，人们已成功地克隆出了水稻的抗白叶枯病基因Xa21等重要农艺性状基因。近年来，在克隆基因的过程中，人们发现不同作物间同类基因的序列都惊人的相似，这样根据一种作物抗病基因的序列，就有可能从另一种作物克隆出不同的抗病基因。上述两种克隆基因的主要方法之处，还有其它一些辅助的方法，如差异显示法(differntdasplay)，基因组差减法(genonicsnbstractive)等方法也都相继发明并用于基因克隆。值得提出的是，目前国际上拟南芥、水稻的全基因组测序工作都将在近期内完成，随之将产生数以亿计的DNA序列数据。为了分析这些基因组DNA序列的结构与功能，一门新的学科——生物信息学(Bioniformatics)已应运而生。应用生物信息学的原理与方法，对基因组测序的巨大数据进行分析，将会成倍地加快基因克隆的速度，并将最终明确植物基因组的全部基因。
基因组学的发展使种质资源的竞争更加激烈
作物种质资源主要是为作物育种服务的。过去由于种质资源研究的深度不够，同时也由于育种方法的落后，因而影响了种质资源的开发利用。在基因组学的促进与推动下，一种新的育种方法——分子育种(molecularbreeding)已经诞生。分子育种有二类，一类是分子标记辅助育种，又称分子标记辅助选择(makerassistedselection)。它是根据目标性状的分子标记，对育种后代进行选择的一种育种方法。由于分子标记不受环境件影响，因而使用这种方法可以提高选择的准确性，缩短育种周期，加快育种进程。据估计，使用分子标记辅助育种的方法，可以使育种周期由原来的6-7年缩短到2-3年，选择效率提高数倍。
另一类分子育种是转基因育种(也称为基因工程育种)。它是将克隆分离出的目的基因通过构建载体、转化等一系列步骤，然后转入另一种植物或品种，使其在新的载体品种中表达。由于分子育种具有周期短、见效快、技术含量高、经济效益巨大等特点，因此目前世界上正在形成一条“以资源为基础，以基因为核心，以品种为载体”的生物技术产业。分子育种的关键是从作物种质资源中鉴定、分离出有价值的目的基因。这是因为一方面只有有了目的基因，才能进行分子育种；另一方面是由于到目前为主，种质资源尚无知识产权，而从种质资源中分离出的基因或者用种质资源育成的品种不仅有知识产权，而且常常是价连城。因此目前世界各国都将研究重点放在种质资源的基因鉴定与分离方面并展开了激烈的竞争，形成了一场“基因大战”。由于基因鉴定与克隆的技术发展迅速，同时各国在这方面的投入的人力、财力巨大，因此人们预计在未来的10-20年内将是基因大战的关键时期。在这一关键时期，谁占有了基因，谁就掌握了主动权；反之，就丧失主动权，就会受治于人。为了在这场“基因大战”中取得胜利，世界上一些发达国家及大的跨国公司纷纷投巨资于这一领域的研究。在美洲，美国、加拿大投巨资于玉米、小麦基因的研究；在欧洲，英国JohnInnes研究中心从杜邦公司每年得到1-2千万英镑从事小麦基因的研究；在亚洲，日本、韩国等投巨资从事水稻基因研究；在澳洲，澳大利亚政府投巨资成立了小麦分子育种合作研究中心，每年投入上千万澳元从事小麦分子育种研究。人们预计，在未来的10-20年时间内，国际上的“基因大战”将会愈演愈烈。
我国进行作物种质资源基因研究的优势与问题。作物种质资源基因鉴定与分离的基础是资源。因为即使在将来所有作物的基因组测序工作全部完成之后，各类优异性状的基因也还只有从携带这些基因的种质资源中才能分离出来。占有丰富的作物种质资源，正是我们在这一研究领域的最大优势。我国是世界作物种质资源最丰富的国家之一。目前收集编目的各类作物种质资源有30余万份，仅次于美国、俄罗斯而居世界第3位，已存入国家长期库的种质资源有30余万份，居世界第一，这些丰富的种质资源中蕴茂着许多非常宝贵的基因，仅开发利用的极少部分，就已充分显示出其重要的价值。如在我国水稻基因资源“低脚乌尖”中的矮秆基因，曾在国际上广泛用于水稻的矮化育种，育成了大批的矮秆品种；我国小科品种苏麦3号中的抗赤霉病基因，迄今仍是世界上公认的对赤霉病抗性最好的为国内外抗赤霉病育种中的首选抗源；我国的小麦地方品种中国春携带有3对远缘杂交亲合基因，被全世界广泛用于小麦远缘杂交，全世界培育成功的小麦远缘杂交材料，几乎全部是用“中国春”做成功的。我国大豆资源的抗孢囊玫虫病基因在美国大豆抗病育种中起着关键的作用，被认为是“救了美国的大豆生产”。在当前国内外的“新的绿色革命”由于缺乏理想的资源而难以取得突破的情况下，世界上各国的育种家都更加注意中国作物基因资源的开发。国际玉米小麦改良中的小麦项目主任、国际上著名的小麦育种家Rajaram最近指出：开发中国小麦基因资源，可能是未来世界小麦育种取得突存的一条重要途径。
我国近年来对种质资源的深入研究十分重视，并先后设立了一些重要的科研项目，其中包括首批启动的国家重点基础研究发展规划项目(简称973项目)“农作物核心种质构建，重要新基因发掘与有效利用研究”；国家自然科学基金重大项目“稻麦玉米重要基因的鉴定、发掘高效利用研究”；国家九五攻关项目“分子标记技术鉴定种质资源研究”；在国家“863”项目及自然基金重点及一般项目、以及各省市、部门的研究项目中，也都有一批有关基因标记与基因克隆的项目。此外，国家种质资源重大科学工程项目已酝酿多时，有望有近期启动。所有这些，都为深入开发我国丰富的种质资源奠定了基础，创造了有利的条件。
与此同时，我们还应情醒地看到，与发达国家相比，我们在这方面的研究还有在着一些问题，概括起来主要有以下几点：
1.重复立项多，投资力度小，分子标记，基因克隆是近年来国内外的热点研究领域，引起各总部门的重视，这是好事；但由于我国的科研项目多头管理，因而各个项目管理部门都设立了类似的项目，由于经费总数所限，这样每个项目的投资强度均不足，所以科研工作者不得不将相当大的部精力花在写立项建议、项目申请，检查汇报上面，这样就势必影响从事研究的精力。这种现象在其它研究领域也有存在，因此建议项目的管理部门进行分工，增加每个项目的投资力度。
2.立项周期长，科研项目具有很强的时间性，特别是在基因研究这样一些热点研究领域更是如此。我国有些项目的立项建议提出的并不比国外，但由于立项环节多，论证时间长，因而就会贻误战机，造成巨大损失。
3.吸引高水平科研人才力度不够。提高科研水平的关键是人才，在竞争激烈的分子生物学研究领域更是如此，由于国内近年来对分子生物学研究领域投资力度加大，国内已有一些实验室的硬件建设达到了国际先进甚至国际领先水平，然而研究水平却远运没有达到。这里边的关键问题是缺乏高水平的科研人才及管理人才。据统计，我国从事分子生物学研究的博士生毕业后的多数都到了国外，而在国外从事这方面研究的我国博士生或博士后近年来回国的人数虽有增加，但为数很少，不能满足需要，特别是国际一流的人才回国的则更少，因此应该进一步加强吸引高水平科研人才的工作，从工作上，生活上为高水平科研人才创造条件。
我国作物种质资源基础研究的策略
根据国外关于种质资源基因研究的经验，结合我国作物种质资源丰富的优势，提出“从构建核心种质入手，重点发掘作物种质资源中重要的农艺性状基因，克隆少数关键基的总体设想(见下图)。21世纪是生物技术的世纪，在某种程度上生物技术水平的高低反映了一个国家综合国力，基因研究是生物技术研究的最重要研究内容之一，我国在这方面具有我们自己的独特的优势，同时也存在着一些严重的不足，发挥我们的优势，克服我们的不足，我们定能在这一未来最重要的研究领域占有我们应有的一席之地。
　
　
ApplytheTheoriesandApprochesofPlantGenomicstoExploretheRichCropGermplasminChina
　
JiaJizeng
InstitnteofCropGermplasmResources,CAAS.KeylaboratoryofCropGevmplasmBiotechniques,MOA,China