本報記者王澎樂明凱

　　近日，中國種子集團有限公司生命科學技術中心通過了企業國家重點實驗室評定。早有耳聞，以生物資訊為依據，以高通量分子標記篩選為手段，分段式工廠化流水線的生物育種技術——基因組育種是該中心的“王牌”，而這項技術的核心之一竟是一塊小小的晶片。本期《前沿》帶您走進中國種子生命科學技術中心，探尋其中的奧秘。——編者

　　育種晶片——篩選優化基因

　　【每一張育種晶片都比一塊電腦記憶體條還要小，8釐米長，2.5釐米寬，厚度不到0.2釐米。晶片的一端貼著一塊帶編號的條碼，在貼條碼的一面上，隱約可以看到兩排每排12個泛著光的長方形“小方塊”，每個“小方塊”的大小不到0.1平方釐米。“每一個‘小方塊’就對應著一個被檢測樣品，一塊晶片可以同時檢測24個樣品。”中國種子生命科學技術中心基因組育種部邱樹青拿起一張育種晶片説，“針對每一個樣品，每次可以檢測近7萬個高品質基因標記位點。”】

　　2000年人類基因組測序完成標誌著人類生物技術研究邁進基因時代，2005年在植物領域，水稻全基因組測序也隨即完成，這為科學家研究生物性狀奠定了科學基礎。“以前，傳統育種是根據田間植物形態和農藝性狀的表現來篩選親本，將高産優質的親本和抗病抗蟲的親本進行雜交，在後代中通過大群體多年多地點篩選性狀表現好的植株，不斷繁殖鑒定，培育出高産抗病蟲的品種。這種篩選依靠植物的田間表現和育种家的經驗，需要世代累積才能尋求最佳植株，工作強度大，非常辛苦。育种家只觀察植株各個性狀的表現，不知道性狀是由什麼基因控制的，傳統篩選方法的效率和可靠性都有待進一步提升。”基因組育種部總監周發松告訴記者，“通過育種晶片可以了解影響各個性狀的基因，從而進行精準篩選和性狀優化。如果能篩選出最好的基因組合，就為培育出理想的品種組合創造了技術條件。”

　　傳統育種手段裏，育种家通過觀察和經驗來預測作物帶有的不同基因，而隨著基因技術的發展和育種晶片的不斷完善，基因的神秘面紗正在被揭開，育种家們也迎來了基因育種的新時代。通過科學手段去了解鑒定各個親本資源所攜帶的優良基因，將最優良的基因組合在一起，培育出最理想的作物新品種，成為了整個中心共同努力的目標。

　　以往育种家根據作物的田間表現進行判斷，能觀察到的性狀很有限，而且並不是所有的性狀都能觀察得到。“以水稻為例，田間能觀察到的性狀只有20多個，而水稻有3萬多個主要基因和6萬多個可能的基因，傳統育種手段觀察到的只是冰山一角。”周發松説，“育種晶片的作用就是把科學家對功能基因組的研究成果轉換成育種工具。”

　　分子標記篩選——一次檢測成百上千指標

　　【談到育種晶片的作用，邱樹青這樣比喻：就像做抽血化驗，以前抽一次血只能檢測一兩個指標，而如今化驗一次可以檢測成百上千個指標。育種晶片通過高通量分子標記篩選技術極大地加快了育種中個體植株性狀的檢測速度，傳統育種方式就像中醫一樣，通過“望聞問切”等方式查看和篩選植株，而育種晶片可以通過基因檢測，從大量後代中迅速找出優秀植株，從而縮短育種時間。】

　　“育種晶片是檢測工具，幫助育种家快速排除95%以上的非目標單株，節約了資源，提高了效率。這樣培育一個新品種只需要3至5年的時間。”基因組育種部喻輝輝説，“與傳統育種方式一樣，雜交回交等産生新後代的方法還是不變的。”

　　通過育種晶片的檢測，可以對種質資源進行快速分析和篩選，從而得到具有高産、抗病、高肥效、優質等基因的不同種質資源。通過對種質資源的綜合分析和考量後，可以篩選出具有多數優良基因的資源材料做親本。選出親本後的下一步就是雜交，通過育種晶片，科學家可以選定雜交後代中帶有更多優良基因的植株。由於育種晶片檢測的對像是基因，所以雜交後代不需要等待植株經過漫長的生長階段，在種子上或者幼苗的葉子上取點樣品，就能進行基因檢測了。這樣一來可以提前至少半年時間，更重要的是極大地提高了檢測效率。

　　人無完人，品種裏也沒有十全十美的品種，而木桶效應在育種上表現得格外明顯。産量高、品質好的品種，卻因為對一種病害或一種蟲害缺乏抵抗力而出現減産或絕收的情況時有發生；産量不高卻對某一病害或蟲害有著得天獨厚抵抗力的品種也是“大有人在”。全基因組育種晶片讓只改變單一性狀的精準育種成為可能，育种家們可以精心打磨已經育成的品種，力爭早日培育出多抗、優質、高産、高肥效、重金屬低吸附的資源節約、環境友好的綠色超級作物新品種。

　　從種質資源篩選到新品種選育，從品種特性檢測到品種真實性檢測，基因這張“身份證”一直伴隨著每一粒種子、每一棵植株，有了育種晶片，就可以迅速“認出”每一粒水稻。

　　流水線育種——實現專業化分工

　　【有人曾做過這樣一個比喻：從事農作物育種研究的有兩種人，一種叫漢子，另一種叫女漢子。面朝黃土背朝天，南繁北育如飛雁，恰是育種工作者們生活的真實寫照。走在中心的大樓裏，看到在辦公室裏電腦前的、實驗室操作臺前的忙碌著的工作人員們，絲毫看不到他們身上的“鄉土氣息”，這裡沒有皮膚黝黑、臉上帶著兩片“高原紅”的莊稼漢更沒有女漢子。】

　　“分段式育種流水線的建立，把整個育種過程分成了多個環節，實現了專業化分工。”周發松説，“每個工作人員只需要專注于自己擅長的一個技術環節，不像傳統育種方式那樣，育种家必須掌握和參與所有的育種技術環節，更不用整年風吹日曬。”以往由於從事育種工作需要長期在田間風吹日曬雨淋，所以女性工作者很少，如今的基因組育種，大部分工作都是在實驗室和溫室內完成，這讓作物育種這個領域不再“陽盛陰衰”。

　　周發松把以往的育种家比喻為畫家，繪畫作品創作到一半時別人是很難繼續完成的，風格也很難保持一致；而如今商業化育種體系下，分段式流水線育種上的工作人員更像是工廠裏製造不同元件的工匠。傳統育種手段下，育种家們日復一日、年復一年的積累經驗和育種材料，以師傅帶徒弟的方式組建團隊，難以形成規模，也沒有條件構建現代化的生物技術平臺，整合利用多學科領域的最新研究成果。而且，單個育种家的調動或離開會對整個團隊乃至團隊所在的企業産生巨大的影響。

　　育種晶片的出現，實現了分段式流水線育種體系的建立，育種工作者也從此進入專業化分工時代，不再需要擔心單個工作人員的變動，各個環節的成果更是可以分享和共用的。每個育种家都可以竭盡全力專注于自己最擅長的那部分，為新品種培育不斷提供優質的中間材料。

　　“育種方案制定、種質資源收集、親本配組、全基因組與分子標記輔助選擇、優係測配篩選、産品測試等等，都是商業化育種鏈條中的一個環節，品種是這一過程的唯一齣口，這樣一來各個環節所在的各個部門就可以借助資訊系統有機的協調起來。”資源管理部總監彭俊華説，“從商業管理的角度而言，做種質資源的人、做基因組測序的人和做田間試驗的人不涉足新品種培育，育種工作只由育种家來統籌，一定要分工明確，權責清晰。這些都是不同的手段或支撐平臺，各司其職通力協作才能高效培育出好品種。”

　　脅迫環境——模擬病蟲害發生

　　【中國種子生命科學技術中心二樓的一個培養室內，一位名叫陳美娟的工作人員正在查看罩在塑膠膜裏的一盆水稻，在她身旁恒溫箱裏擺放著一盒盒長滿真菌的培養皿。這名工作人員正在查看記錄感染稻瘟病水稻的生長情況。在距實驗樓不遠的空地上，立著一座座溫室大棚，其中一個栽培池裏所種的水稻卻都長得不好，除了幾株依然“堅挺”的水稻外，其餘已經被蟲子蛀得枯黃。】

　　“這些水稻正在進行抗稻飛虱試驗。”邱樹青向記者解釋道，“育種晶片檢測後，還要進行大田模擬，讓定向培育的抗稻飛虱水稻生長在有大量稻飛虱的環境中，進一步驗證水稻的抗蟲效果。在抗病鑒定溫室理，工作人員給抗稻瘟病的水稻接種稻瘟病菌，進一步驗證優良植株的抗稻瘟病效果。”雖然育種晶片可以快速篩選優良的基因型植株，但實踐是檢驗真理的唯一標準，只有經得起性狀表型考驗的植株才是真正有育種價值的植株。

　　我國地域遼闊，物種豐富、生態環境多樣，同一個水稻品種在不同地區種植所遇到的病蟲害不盡相同，而即便是同一種病害，在不同地區的表現和誘因也有很大差異。“實驗樓二層恒溫箱的每一個培養皿裏，都是不同的稻瘟病生理小種。”邱樹青告訴記者，“不同地區的稻瘟病需要不同的基因來抵抗，此外，我們預防的病蟲害也是在不斷進化的，每年種植的作物品種都要夠經受新的病蟲害考驗。”

　　育种家們一直在利用育種技術與病蟲害進行著“賽跑”，這一個個脅迫環境下的栽培池、培養箱成為了新品種與病蟲害針鋒相對的戰場，“模擬軍演”在這裡打響。