分子育種——助民族種業(yè)“跑”得更快 |
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來源：《 農(nóng)民日報 》（ 2015年05月11日 06 版）
圖為在華智水稻生物技術(shù)有限公司分子育種實驗室，技術(shù)人員正在利用磁珠法自動化提取DNA。張泓攝 本報記者 王瑜 “一票否決”，品種審定的“鐵門檻”讓水稻種企對如何提高稻瘟病抗性格外關(guān)注。 然而，篩選抗稻瘟病基因，受到環(huán)境條件的限制。雖然水稻從抽穗到成熟，都易發(fā)稻瘟病，但要發(fā)病，易感品種和低溫連陰天缺一不可，因此在自然種植條件下，稻瘟病并不會年年重發(fā)，要驗證材料的抗病性，往往需要人工接種病菌，工作量很大，成本也很高。 同時，引起稻瘟病的生理小種又是不斷變化的。就像流感病毒一樣，前兩年有效的流感疫苗今年就可能不管用了，所以選育抗稻瘟病的品種就如同和病菌變種進(jìn)行一場你追我趕的“持久性賽跑”。 有沒有一種辦法，能夠加快篩選速度，獲得市場所需的育種材料來定向改良品種呢？答案就是分子育種。為什么是分子育種？分子育種是怎樣加快篩選速度的？為了尋找問題的答案，記者來到了我國兩大農(nóng)作物分子育種平臺之一的華智水稻生物技術(shù)有限公司。 什么是分子育種？ ——分子育種和常規(guī)育種就像西醫(yī)和中醫(yī)，必須中西醫(yī)結(jié)合，才能取得高效益的理想效果 要知道分子育種為什么能幫助育種家跑得更快，首先需要了解什么是分子育種。 “如果說常規(guī)育種是看中醫(yī)、看表型，分子育種就類似西醫(yī)拍的一張張X光片，看品種內(nèi)部的各種基因型。”華智總經(jīng)理張健解釋說，有經(jīng)驗的老中醫(yī)拍拍背，可以憑經(jīng)驗猜出來肺部有沒有鈣點(diǎn)，但沒有百分之百的把握；分子育種技術(shù)類似能給醫(yī)生提供一個X光片，有沒有鈣點(diǎn)一目了然。當(dāng)然，分子育種也有誤差，但這種誤差跟沒有X光片時的判斷相比，精準(zhǔn)度高很多。 在張健看來，常規(guī)育種憑經(jīng)驗選育的過程就像一個“黑匣子”，肉眼只能區(qū)分抗病和感病，并不知道種子所具有的基因型是什么，更看不出抗病材料是雜合抗病還是純合抗病，而純合抗病材料才是育種家能夠利用的育種材料。分子育種能夠幫助育種家打開并解讀這只“黑匣子”，區(qū)分哪些是純合抗病材料，哪些是雜合抗病材料，利用純合抗病材料來加快育種進(jìn)程。 打開“黑匣子”，對育種效率與效益的提升主要體現(xiàn)在兩個方面。一是縮短育種時間。用常規(guī)育種手段定向改良一個農(nóng)藝性狀，需要回交6代才能得到理想的植株，一般需要5年~6年時間，而利用分子育種技術(shù)，通過早期的基因型選擇，只需要3年左右，育種時間可以縮短一半。二是降低田間測試材料數(shù)量。假設(shè)有2個抗病材料，傳統(tǒng)育種方法需要足夠大的回交群體才可能獲得想要的材料，但分子育種技術(shù)可以通過基因型分型篩選，先把含有抗病基因的材料篩選出來，這樣就可以節(jié)省很多耕地。 “分子育種只需要一片水稻葉子，就能在基因型水平上診斷這種材料抗病不抗病，是純合抗病還是雜合抗病，但選擇的材料好不好，最終還是要到大田里看效果。”張健說，分子育種和常規(guī)育種一樣，都是一種技術(shù)手段，分子育種要用得好，取得好效果，必須和其他技術(shù)手段結(jié)合起來。分子標(biāo)記、生物信息、種質(zhì)創(chuàng)新、大田測試就像一張桌子的四條腿，多功能研發(fā)部門綜合在一起才能形成高效的分子育種大平臺。 隨著種植方式的轉(zhuǎn)變和消費(fèi)水平的提高，水稻育種的目標(biāo)正在從單純的高產(chǎn)向高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、多抗廣適、品質(zhì)優(yōu)良、資源節(jié)約、環(huán)境友好、高效益等多重目標(biāo)轉(zhuǎn)變。“沒有最好的品種，只有最適合的品種。”張健說，育種就是要根據(jù)不同區(qū)域的水土光溫條件，篩選出最優(yōu)的基因組合，而分子育種能夠快速鎖定并聚合高產(chǎn)、多抗、口感好等優(yōu)良性狀的相關(guān)基因，既能幫育種家快速培養(yǎng)出“三好生”，也可以幫育種家培養(yǎng)更多適合不同區(qū)域的“特長生”。 “X光片”如何“拍”出？ ——水稻的12對染色體就像12條高速公路，分子標(biāo)記就像設(shè)在高速公路上的路標(biāo) 華智承擔(dān)著建設(shè)農(nóng)業(yè)部國家水稻分子育種大平臺的重任。進(jìn)入華智第一個實驗室，在10多平方米的空間里，3臺巨大的黑色儀器呈“L”型擺開。“這是剛到位的道格拉斯陣列式分析卷帶（DouglasArrayTape）高通量SNP檢測平臺，目前是全球通量最高的基因分型平臺。”張健介紹說。 什么是通量？高通量意味著什么？“通量表示物質(zhì)分子移動量的大小，通量越高則單位時間內(nèi)完成的測試量越大。”張健解釋說，“只有通量上去了，研發(fā)成本才能降下來。” 據(jù)了解，人工操作，一天一個人最多能做幾百個SNP測試，而用這套設(shè)備，每天可以做23萬個SNP測試，相當(dāng)于2400臺普通96孔的PCR儀同時開動。目前，設(shè)備已經(jīng)調(diào)試完畢，為了盡快投入商業(yè)化使用，華智正加緊開發(fā)水稻全基因組分子標(biāo)記，今年的目標(biāo)是做出2000個分子標(biāo)記來。 什么是分子標(biāo)記？分子標(biāo)記有什么用？“分子標(biāo)記是可遺傳、可檢測的DNA序列，相當(dāng)于高速公路的路標(biāo)。”張健解釋道，如果把一條染色體比作一條高速公路，基因測序相當(dāng)于建高速公路，分子標(biāo)記就像是在高速公路上設(shè)路標(biāo)。分子標(biāo)記越多，路標(biāo)越精確，定位的精度也越高。有了大量的路標(biāo)，就可以像GPS一樣精準(zhǔn)定位，快速鎖定要找的基因。 水稻有12條染色體，每一條染色體上有大量DNA，但并不是每個DNA都能成為標(biāo)記，分子標(biāo)記要發(fā)揮作用，關(guān)鍵在于找到那些通過實驗室與大田驗證，與高產(chǎn)、抗病或是抗倒伏直接相關(guān)的DNA序列，并把這些DNA分子標(biāo)記開發(fā)出來。 標(biāo)記的方式很重要。“分子標(biāo)記需要檢測手段簡單、快速、容易自動化，同時成本低、重復(fù)性好。”張健告訴記者，單個核苷酸的改變，就能體現(xiàn)出DNA序列的變化，因此單核苷酸多態(tài)性（SNP）檢測是目前最準(zhǔn)確、最快速也最適于自動化操作的分子標(biāo)記手段。 分子標(biāo)記一旦驗證完畢，對相應(yīng)基因的搜索就變得如探囊中之物一般便利。“利用道格拉斯高通量SNP檢測設(shè)備，2天~3天就能得出精確的檢測結(jié)果。”張健給記者展示了一組品種純度和真實性鑒定的結(jié)果，由于單個SNP被開發(fā)成能用熒光檢測的PCR產(chǎn)物，檢測結(jié)果在電腦屏幕上呈現(xiàn)出不同的顏色——基因型相同的顏色相同，基因型不同的顏色不同。是不是一個品種，品種純度高不高，就像“X光片”一樣一目了然。 分子育種平臺改變什么？ ——種業(yè)研發(fā)缺乏轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)，分子育種平臺就是要將“沉睡”的資源喚醒盤活 目前，SNP分子標(biāo)記等分子育種技術(shù)已成為跨國種業(yè)巨頭加快培育新品種的一種利器。孟山都、杜邦先鋒均有多套道格拉斯高通量SNP檢測設(shè)備。如果國內(nèi)種業(yè)僅用常規(guī)育種手段來應(yīng)對挑戰(zhàn)，則無異于坐著牛車和汽車賽跑。 然而，一套道格拉斯高通量SNP檢測平臺，即使不算耗材和人工成本，也需要上千萬元，對于每年研發(fā)投入至多幾千萬元的國內(nèi)種企來說，單槍匹馬做分子育種既不實際也不實惠。為了解決單個企業(yè)做分子育種既“吃不起”也“吃不飽”的兩難困境，實現(xiàn)“同乘一輛車，各買一張票”，在農(nóng)業(yè)部推動下，華智和中玉金標(biāo)記兩大分子育種平臺應(yīng)運(yùn)而生。 “和普通的種業(yè)企業(yè)不同，我們不會把研發(fā)的種子直接賣給農(nóng)民。”張健說，“兩大分子育種平臺定位于專業(yè)化高科技種業(yè)服務(wù)公司，主要任務(wù)就是為商業(yè)化育種單位提供分子育種服務(wù)。” 他介紹說，科研院所的研究人員克隆一個基因就可以發(fā)表論文，但要將此基因應(yīng)用到育種生產(chǎn)上，還缺乏一個技術(shù)開發(fā)與成果轉(zhuǎn)化的環(huán)節(jié)，分子育種平臺就是要為基礎(chǔ)理論成果向產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化鋪路搭橋，因此不僅要在實驗室和大田條件下驗證基因的優(yōu)劣，而且要將優(yōu)良基因?qū)氲缴虡I(yè)化育種材料中，創(chuàng)造新的種質(zhì)資源，幫助“沉睡”的基因或資源變成商業(yè)化育種中真正有價值的材料。 在國外開發(fā)1個轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品需要1.36億美元，其中早期研發(fā)的投入約占23%，中期驗證占51%，后期推廣、法規(guī)等方面投入占26%左右，中間驗證及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的費(fèi)用要比早期研發(fā)高很多。而在國內(nèi)，分子育種技術(shù)的研究還停留在早期概念階段，由于缺少成果驗證與產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，不少基因材料只能停留在實驗室的抽屜里，這也導(dǎo)致種質(zhì)創(chuàng)新停滯不前，進(jìn)而制約了突破性大品種的選育。 解決科研成果轉(zhuǎn)化難，必須理順分工。“科研院所是上游，提供基因材料；分子育種平臺是中游，專注技術(shù)的集成和開發(fā)；種業(yè)企業(yè)是下游，開展商業(yè)化育種和推廣。”張健說，科研院所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個抗病基因，但只有一個抗病基因的材料不能滿足實際生產(chǎn)需要，這就需要對不同抗原、不同抗性位點(diǎn)的材料進(jìn)行驗證、集成和資源創(chuàng)新，然后將多抗的材料提供給下游公司。 張健認(rèn)為，專業(yè)化種業(yè)技術(shù)服務(wù)公司的壯大，將從根本上改變種業(yè)知識產(chǎn)權(quán)交易的游戲規(guī)則——利用DNA指紋圖譜給每個品種建立“身份證”，利用商業(yè)化合同明確規(guī)范產(chǎn)業(yè)鏈利益的分成機(jī)制，能有效遏制“偷材料”等市場亂象發(fā)生。“市場的整體運(yùn)作規(guī)范了，就能夠促進(jìn)種業(yè)向更好的方向發(fā)展，農(nóng)民就能用上更好的品種。”他說。 |
我國分子育種平臺有哪些？ 目前，我國有兩大分子育種平臺。華智生物技術(shù)有限公司由隆平高科、神農(nóng)大豐、豐樂種業(yè)等12家中國水稻種業(yè)領(lǐng)域有影響力的種業(yè)公司共同發(fā)起擁有；中玉金標(biāo)記（北京）生物技術(shù)股份有限公司由北大荒墾豐種業(yè)股份有限公司、中玉科企聯(lián)合（北京）種業(yè)技術(shù)有限公司、遼寧東亞種業(yè)有限公司等9家在我國玉米種業(yè)領(lǐng)域較有影響力的企業(yè)共同持股。 如何保證檢測材料的安全？ 樣品DNA的提取，只需要一片葉子，而葉子是不具有繁殖能力的，所以委托單位不用擔(dān)心材料流失。如果沒有葉子，也可以將種子粉碎后提供。同時，農(nóng)業(yè)部規(guī)定兩大分子育種平臺不能賣種子，這也從政策層面規(guī)避了技術(shù)服務(wù)型公司與種企之間不必要的同質(zhì)競爭，確保了委托單位的材料安全。 進(jìn)行SNP檢測，時間和費(fèi)用如何？標(biāo)記開發(fā)完成后，利用道格拉斯高通量SNP檢測設(shè)備，一般幾天就能拿到檢測結(jié)果，而成本只有使用普通96孔PCR儀器測試的1/10甚至更少。 分子育種平臺只服務(wù)于種業(yè)企業(yè)？不是。作為專業(yè)化技術(shù)服務(wù)公司，分子育種平臺不僅為種業(yè)企業(yè)提供分子育種咨詢、服務(wù)與實施，而且可以為科研單位鑒定科研材料的DNA指紋圖譜、基因分型等服務(wù)，也可以為政府機(jī)關(guān)及農(nóng)民維權(quán)提供品種真實性和種子純度的鑒定。 知識課堂 PCR是聚合酶鏈反應(yīng)的簡稱，它能夠在生物體外快速獲得大量特定片段的DNA分子，具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、操作簡便、省時等特點(diǎn)。 什么是SNP？ SNP，是單核苷酸多態(tài)性的英文簡稱，它是指在基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性。
分子育種流程 尋找材料——理論評估——基因定位——分子標(biāo)記開發(fā)——種質(zhì)創(chuàng)新：聚合有利基因，選育新的材料——品種測試：大田種植——將優(yōu)良育種材料提供給育種家或育種單位
——DNA提取——PCR反應(yīng)——結(jié)果檢測
第一步，建立反應(yīng)體系。陣列式分析卷帶外觀很像相機(jī)的膠卷，每張中間是384孔。隨著陣列卷帶的移動，每個小孔就自動裝好一個測試樣品，并自動完成覆膜封口。 第二步，PCR反應(yīng)。樣本經(jīng)過94℃高溫變性、60℃-65℃低溫退火、72℃適溫延伸三個步驟完成1個循環(huán)。一次PCR反應(yīng)要做35個循環(huán)。陣列式分析卷帶，在機(jī)械傳動裝置作用下，在3個恒溫水浴鍋中循環(huán)，節(jié)約了傳統(tǒng)PCR儀升溫降溫的時間，也增加了實驗結(jié)果的穩(wěn)定性。 第三步，熒光儀檢測。做完P(guān)CR反應(yīng)，將陣列式分析卷帶放到熒光儀的入口處，卷帶會像膠卷一樣進(jìn)入熒光儀，結(jié)果以不同顏色在電腦上顯示出來。
普通PCR儀（左）采用96孔板作為反應(yīng)載體，相比之下，384孔的陣列式分析卷帶（右）的特性更適合高通量全自動化操作。 人工移液器和自動化液體工作站，前者手工加樣，一人一天最多完成幾百份樣品DNA提取；后者利用自動化儀器加樣，每天可以提取5000份以上的DNA樣品。 |
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