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助民族種業“跑”得更快

  • 發佈時間:2015-05-11 05:32:16  來源:農民日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  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注。

  然而,篩選抗稻瘟病基因,受到環境條件的限制。雖然水稻從抽穗到成熟,都易發稻瘟病,但要發病,易感品種和低溫連陰天缺一不可,因此在自然種植條件下,稻瘟病並不會年年重發,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。為什麼是分子育種?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作物分子育種平臺之一的華智水稻生物技術有限公司。

  什麼是分子育種?

  ——分子育種和常規育種就像西醫和中醫,必須中西醫結合,才能取得高效益的理想效果

  要知道分子育種為什麼能幫助育种家跑得更快,首先需要了解什麼是分子育種。

  “如果説常規育種是看中醫、看表型,分子育種就類似西醫拍的一張張X光片,看品種內部的各種基因型。”華智總經理張健解釋説,有經驗的老中醫拍拍背,可以憑經驗猜出來肺部有沒有鈣點,但沒有百分之百的把握;分子育種技術類似能給醫生提供一個X光片,有沒有鈣點一目了然。當然,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,精準度高很多。

  在張健看來,常規育種憑經驗選育的過程就像一個“黑匣子”,肉眼只能區分抗病和感病,並不知道種子所具有的基因型是什麼,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种家能夠利用的育種材料。分子育種能夠幫助育种家打開並解讀這只“黑匣子”,區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程。

  打開“黑匣子”,對育種效率與效益的提升主要體現在兩個方面。一是縮短育種時間。用常規育種手段定向改良一個農藝性狀,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,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量。假設有2個抗病材料,傳統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,就能在基因型水準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,最終還是要到大田裏看效果。”張健説,分子育種和常規育種一樣,都是一種技術手段,分子育種要用得好,取得好效果,必須和其他技術手段結合起來。分子標記、生物資訊、種質創新、大田測試就像一張桌子的四條腿,多功能研發部門綜合在一起才能形成高效的分子育種大平臺。

  隨著種植方式的轉變和消費水準的提高,水稻育種的目標正在從單純的高産向高産穩産、多抗廣適、品質優良、資源節約、環境友好、高效益等多重目標轉變。“沒有最好的品種,只有最適合的品種。”張健説,育種就是要根據不同區域的水土光溫條件,篩選出最優的基因組合,而分子育種能夠快速鎖定並聚合高産、多抗、口感好等優良性狀的相關基因,既能幫育种家快速培養出“三好生”,也可以幫育种家培養更多適合不同區域的“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,分子標記就像設在高速公路上的路標

  華智承擔著建設農業部國家水稻分子育種大平臺的重任。進入華智第一個實驗室,在10多平方米的空間裏,3台巨大的黑色儀器呈“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。”張健介紹説。

  什麼是通量?高通量意味著什麼?“通量表示物質分子移動量的大小,通量越高則單位時間內完成的測試量越大。”張健解釋説,“只有通量上去了,研發成本才能降下來。”

  據了解,人工操作,一天一個人最多能做幾百個SNP測試,而用這套設備,每天可以做23萬個SNP測試,相當於2400台普通96孔的PCR儀同時開動。目前,設備已經調試完畢,為了儘快投入商業化使用,華智正加緊開發水稻全基因組分子標記,今年的目標是做出2000個分子標記來。

  什麼是分子標記?分子標記有什麼用?“分子標記是可遺傳、可檢測的DNA序列,相當於高速公路的路標。”張健解釋道,如果把一條染色體比作一條高速公路,基因測序相當於建高速公路,分子標記就像是在高速公路上設路標。分子標記越多,路標越精確,定位的精度也越高。有了大量的路標,就可以像GPS一樣精準定位,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,但並不是每個DNA都能成為標記,分子標記要發揮作用,關鍵在於找到那些通過實驗室與大田驗證,與高産、抗病或是抗倒伏直接相關的DNA序列,並把這些DNA分子標記開發出來。

  標記的方式很重要。“分子標記需要檢測手段簡單、快速、容易自動化,同時成本低、重復性好。”張健告訴記者,單個核苷酸的改變,就能體現出DNA序列的變化,因此單核苷酸多態性(SNP)檢測是目前最準確、最快速也最適於自動化操作的分子標記手段。

  分子標記一旦驗證完畢,對相應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檢測設備,2天~3天就能得出精確的檢測結果。”張健給記者展示了一組品種純度和真實性鑒定的結果,由於單個SNP被開發成能用熒光檢測的PCR産物,檢測結果在電腦螢幕上呈現出不同的顏色——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麼?

  ——種業研發缺乏轉化的環節,分子育種平臺就是要將“沉睡”的資源喚醒盤活

  目前,SNP分子標記等分子育種技術已成為跨國種業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檢測設備。如果國內種業僅用常規育種手段來應對挑戰,則無異於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,對於每年研發投入至多幾千萬元的國內種企來説,單槍匹馬做分子育種既不實際也不實惠。為了解決單個企業做分子育種既“吃不起”也“吃不飽”的兩難困境,實現“同乘一輛車,各買一張票”,在農業部推動下,華智和中玉金標記兩大分子育種平臺應運而生。

  “和普通的種業企業不同,我們不會把研發的種子直接賣給農民。”張健説,“兩大分子育種平臺定位於專業化高科技種業服務公司,主要任務就是為商業化育種單位提供分子育種服務。”

  他介紹説,科研院所的研究人員克隆一個基因就可以發表論文,但要將此基因應用到育種生産上,還缺乏一個技術開發與成果轉化的環節,分子育種平臺就是要為基礎理論成果向産業化轉化鋪路搭橋,因此不僅要在實驗室和大田條件下驗證基因的優劣,而且要將優良基因導入到商業化育種材料中,創造新的種質資源,幫助“沉睡”的基因或資源變成商業化育種中真正有價值的材料。

  在國外開發1個轉基因農産品需要1.36億美元,其中早期研發的投入約佔23%,中期驗證佔51%,後期推廣、法規等方面投入佔26%左右,中間驗證及産業化開發的費用要比早期研發高很多。而在國內,分子育種技術的研究還停留在早期概念階段,由於缺少成果驗證與産業化轉化環節,不少基因材料只能停留在實驗室的抽屜裏,這也導致種質創新停滯不前,進而制約了突破性大品種的選育。

  解決科研成果轉化難,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,專注技術的整合和開發;種業企業是下游,開展商業化育種和推廣。”張健説,科研院所的研究人員發現了一個抗病基因,但只有一個抗病基因的材料不能滿足實際生産需要,這就需要對不同抗原、不同抗性位點的材料進行驗證、整合和資源創新,然後將多抗的材料提供給下游公司。

  張健認為,專業化種業技術服務公司的壯大,將從根本上改變種業智慧財産權交易的遊戲規則——利用DNA指紋圖譜給每個品種建立“身份證”,利用商業化合同明確規範産業鏈利益的分成機制,能有效遏制“偷材料”等市場亂象發生。“市場的整體運作規範了,就能夠促進種業向更好的方向發展,農民就能用上更好的品種。”他説。

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