水稻分子设计育种

选育和推广优质、多抗、抗逆、高产水稻新品种是实现我国粮食安全的重要途径。目前大多数育种工作仍以表型选择和育种者经验为主，育种效率低；另一方面，生物信息数据库中积累的数据量极其庞大，但由于缺乏必要的数据集成技术，育种者可获得的信息非常有限。水稻分子设计育种将在多个层次上研究水稻各组成部分的网络互作行为和生长发育过程中环境响应的动态行为；然后利用各种“组学”数据，在计算机平台上预测水稻的生长发育和外界反应行为；然后，根据具体的育种目标，构建品种设计蓝图；最后结合育种实践，培育出符合设计要求的水稻新品种。

设计育种的核心是建立以分子设计为目标的育种理论和技术体系。通过多种技术的集成和整合，在从基因(分子)到整体(系统)的不同层面上对生物进行设计和操作，在实验室中对育种方案中的各种因素进行模拟、筛选和优化，提出最佳亲本选择和后代选择策略，实现从传统的“经验育种”向定向高效的“精准育种”的转变。

1作物分子设计与育种基础研究现状及发展趋势，

1.1生物信息学基因信息库中的数据“爆炸”了

类型“增长”

1.2分子标记技术发展日新月异。

已经广泛研究了1.3基因和QTL的作图。

应用了1.4基因的电子定位和延伸。

我国发展分子设计育种的时机已经成熟。

模式植物拟南芥和水稻的全基因组测序使得植物基因组学研究从结构基因组学迅速发展到功能基因组学。在生物信息学的帮助下，基因组学和蛋白质组学可以帮助人们了解植物亚细胞的生理活动以及真核细胞在分子水平上是如何组织的。

为了实现其复杂的功能，各种“组学”将传统生物学带入了系统生物学的新时代，这种革命性的变化催生了分子设计的概念。目前很多研究机构都在做准备工作，向这个方向发展。美国农业部已经投资了十几个研究机构。

各种作物的数据库，而这些数据库的整合将成为未来分子设计和育种的重要基础。其他有影响的研究机构，如美国先锋公司、澳大利亚昆士兰大学和CSIRO、国际玉米小麦改良中心等，都做过基因型-表型建模、基因型-环境互作分析、育种模拟等方面的研究。

进行研究。2004年，中国水稻研究所提出了水稻基因设计育种的概念，即在水稻全基因组测序后，在明确主要农艺性状功能的基础上，通过对有利基因的切割和聚合，培育产量、米质和抗性均有突破的超级稻新品种。

目前我国开展分子设计育种的时机已经成熟，主要表现在以下四个方面。(1)中国拥有生物信息学的研究实力和技术。中国是世界上首次对水稻全基因组进行测序，并对水稻4号染色体进行精细测序的国家之一。在测序过程中，生物信息学是完成序列组装和分析的关键。能够完成这些海量的测序任务，说明中国的生物信息学研究水平很高。此外，在从基因组序列、EST信息和全长cDNA序列中发现新的标记和基因方面也取得了一些进展。(2)开展了虚拟分子育种。中国在利用分子数量遗传学和计算机技术进行QTL制图和QTL与环境关系的研究方面处于国际水平。国家高技术研究发展计划(863计划)资助了主要农作物虚拟育种研究，在回交育种、聚合物育种、杂种优势预测、亲本选择的计算机模拟等方面取得了一定进展。(3)具备建立大规模数据采集和处理系统的技术和经验。中国国家农作物种质资源信息系统已经建立多年。目前系统中存储了数千万条数据，在大型数据库的建立、完善和维护方面积累了丰富的经验。(四)已具备基因图谱、比较基因组学研究、等位基因多样性研究等关键技术。我国作物基因定位的发展比国外晚，但近年来取得了很大的进展，涉及了各种重要作物的大部分重要性状。利用DNA和蛋白质序列信息来绘制特定基因或基因类型的图谱，在除水稻以外的其他作物中也得到了迅速发展。此外，我国开展了小麦种间和禾本科作物间的比较基因组学研究，取得了一定进展，正在进行的等位基因多样性研究也取得了初步成果。与国外同类研究相比，我们的差距主要存在于以下三个方面。(1)主要农艺性状的基因发现和功能研究存在一些不足。近十年来，我国利用分子标记在水稻、小麦、玉米等主要作物上开展了大量的基因(尤其是QTL)定位研究，积累了大量的遗传信息。但这些信息仍处于碎片化状态，缺乏集中、归纳和总结；对QTL效应、QTL的多个等位基因以及不同遗传背景和环境条件下不同QTL间的互作研究不够系统和全面，不利于QTL作图成果转化为实际育种效益。重要农艺性状的遗传基础、形成机制和代谢网络的研究还很缺乏，而这些正是分子设计育种的重要信息基础。同时，缺乏具有自主知识产权的计算机软件，限制了现有基因或QTL信息在实际育种中的应用。(2)与分子设计和育种相关的信息系统不完善。在国家高技术研究发展计划(863计划)和国家重点基础研究发展计划(973计划)的大力支持下，主要农作物主要经济性状的遗传研究取得了重大进展。国家已经启动了水稻等主要粮食作物主要经济性状的功能基因组研究，但还远未完全了解作物所有性状的遗传基础。在我国现有的生物信息学数据库中，具有明确功能和表达调控机制的基因信息相对匮乏；国际上在转录组学、蛋白质组学、代谢组学和表型学方面的研究差距较大，农作物种质资源信息系统中可以通过分子设计和育种直接应用的信息仍然有限。(3)分子设计育种的理论研究相对落后。目前，我国已经开始意识到分子设计育种将成为未来作物育种的发展方向，但大多还停留在概念上，分子设计育种的理论建模和软件开发还没有真正开展起来。

3 .我国作物分子设计和育种的研究重点

我国作物分子设计和育种的研究应着重于以下三个方面。通过高效挖掘π QTL构建水稻、小麦、玉米、大豆和棉花的高世代回交导入系，结合定向选择消除复杂遗传背景对π QTL定位精度的不利影响，从而高效挖掘种质资源中重要农艺性状的π QTL。通过对不同轮回亲本和供体亲本配制的高世代回交组合的定位结果的分析比较，得到基因π QTL的信息，如一因多效、同一基因π QTL位点的多个等位基因、基因π QTL间的上位性互作、基因π QTL与遗传背景的互作、基因π QTL与环境的互作等。高世代回交导入的遗传背景高度纯化，便于直接精细定位主效应大、表达稳定的π QTL。

建立核心种质与骨干亲本之间的遗传信息链接。核心种质以最少的资源数量代表最大的遗传多样性，即尽可能保持最小的种群和最大的遗传多样性；骨干亲本在作物育种中应用广泛，并取得了良好的育种效果，其中蕴含着大量有利的基因资源。通过探索这两类材料中的遗传信息，建立它们的分子设计育种信息系统和链接，可以快速获得亲本携带的基因及其与环境互作的信息，为分子设计育种模型提供信息支持，准确预测不同亲本的杂交后代在不同生态环境中的表现。建立主要育种性状的GP(基因型到表型)模型，描述不同的基因和基因型，以及基因和环境如何相互作用最终产生不同性状的表型，从而识别出满足不同育种目标和生态条件的目标基因型。因此，GP模型是分子设计育种的关键组成部分。GP模型利用挖掘出的基因信息提供的信息，核心种质和骨干亲本的遗传信息链接，结合不同作物的生物学特性和不同生态区域的育种目标，模拟优化育种过程中的各项指标，预测不同亲本的杂交后代产生理想基因型和选育优良品种的概率，大大提高育种效率。

分子设计育种的4个例子

Peleman和van der Voort注册了术语“Breedingby design”。他们认为分子设计育种应分三步进行:(1)定位所有相关农艺性状的QTL；(2)评估这些基因座的等位基因变异；(3)发展设计育种。这是我们对水稻的一些研究结果。

结果显示了分子设计育种的过程。

育种目标性状的QTL研究

这一过程包括构建作图群体、筛选多态性标记、构建标记连锁图、评价数量性状表型和QTL分析。有一个包含65个染色体片段代换系(CSSL)的群体，产生该群体的两个亲本是粳稻Asominori(背景或轮回亲本)和籼稻IR24(供体或非轮回亲本)。每个CSSL包含一个或几个来自IR24的染色体片段，其余的染色体来自背景亲本Asominori。所有供体染色体片段覆盖了IR24的整个基因组，不同的染色体片段由不同的RFLP标记代表。根据粒长的观测值，通过分析不同标记基因型间粒长的显著差异，可以判断哪些片段携带了影响粒长的QTL。QTL存在的可能性通常用LOD值来衡量(图12A)。图12A清楚地表明，标记M23和M34所代表的染色体片段含有控制粒长的QTL，分别占粒长表型变异的3619%和819%，因此可以认为是一个主QTL，尤其是在M23染色体片段上。然而，这两个QTL的加性效应方向相反(图22 B)，即对于标记M23上的QTL，来自IR24的等位基因增加了粒长，而来自Asominori的等位基因减少了粒长；对于标记M34上的QTL，来自IR24的等位基因降低粒长，而来自Asominori的等位基因增加粒长。

在实践中，可以根据不同的研究目的选择LOD临界值来判断QTL的存在。如果研究目的是克隆和分析QTL的功能，应选择更高的LOD临界值，如310或更高，以确定QTL的存在，避免假阳性。如果目的是预测基因型，假阳性不会对结果产生很大的负面影响。此时，可以选择较低的LOD临界值，如110，以确保影响较小的QTL也能被识别。在上面的例子中，当采用临界值0183(对应于0105的显著水平)时，我们鉴定了13个控制粒长的QTL和8个控制粒宽的QTL，还鉴定了一些上位性QTL。

在结合育种目标设计目标基因型的过程中，我们利用已经鉴定的各种重要育种性状的QTL信息，包括QTL在染色体上的位置、遗传效应、QTL之间的互作、QTL与背景亲本和环境的互作等。，模拟和预测各种可能基因型的表型，选择符合特定育种目标的基因型。在我们的例子中，Asominori是一个短粒宽粒品种，IR24是一个长粒窄粒品种，但它们的CSSL后代在两个性状和四个方向上都与亲本分离，所以两个性状的协同QTL和消减QTL应该分布在两个亲本中。通过对粒长的QTL作图，发现染色体片段M6、M12、M14、M23和M25上的5个QTL具有正效应，即对于这些位点上的QTL，来自IR24的等位基因增加了粒长；对于粒宽，只有一个QTL有正效应，表明大多数增加粒宽的基因来自Asominori。此外，还发现了一些染色体片段，如M10、M12、M14和M23，它们携带控制粒长和粒宽的QTL。在M10片段中，QTL对粒长和粒宽有正效应。在其他片段中，QTL对粒长和粒宽有相反的影响。这与根据表型估计的相关系数r =- 0.34一致。

根据以上信息可以预测各种可能基因型的表型(图2)，发现最小和最大粒长基因型的粒长分别为4.20 mm和6.21 mm，最小和最大粒宽基因型的粒宽分别为2.12 mm和3.07 mm。假设育种目标是长粒型和宽粒型，不可能获得图2中同时具有最大粒长和最大粒宽的基因型，因为有些QTL在两个性状上存在负的一因多效。通过模拟，我们找到了一个粒长6.05 mm，粒宽3.00 mm的设计基因型，接近最大粒长6.21 mm，最大粒宽3.07mm(图2)。到目前为止，我们已经设计了一种最符合长粒和宽粒型育种目标的基因型。

分析达到目标基因型的途径

为了获得图2中设计的基因型，需要IR24的四个染色体片段，即M1、M6、M23和M25。在65个CSSL中，CSSL5含有片段M6；CSSL16包含片段M1和M23CSSL19包含片段M25因此，它可以作为亲本材料来生产设计的基因型。但是CSSL19中包含了我们不需要的M12段，在选择过程中需要用Asominori的段替换。

三亲本间的三交(也叫顶交)组合可能聚合出我们需要的染色体片段，产生三交组合有三种方式，即三交组合1:(CSS l5×CSS l 16)×CSS l 19；三向组合2:(cssl 5×cssl 19)×cssl 16和三向组合3:(cssl 16×cssl 19)×cssl 5。假设使用标记辅助的方法来选择目标基因型，有许多选择，这里只考虑其中的两种。标记选择方案1: 100个三交F1个体产生，每个个体产生30个F2个体，通过单粒传递* * *，产生3 000个F8家系，然后选择目标基因型；标记选择方案二:产生100个三重F1个体，通过标记辅助选择只选择含有目标染色体片段的个体，每个选择的个体产生30个F2个体，通过单粒传递产生F8家系，然后选择目标基因型。上述过程是通过遗传育种模拟工具QuCim实现的。对于每个三向组合，通过两种标记选择方案获得的F8家族系数是相等的(表1)。从三交1，三交2得到2365，438+08，三交3得到165，438+08，平均得到765，438+06个目标基因型的F8家系(表1)。然而，从两个标记选择方案1来看，每个选择的F8家系要测试的DNA样品数是395，而对于标记选择方案2，这个数字只有60。因此，包括两个标记选择阶段的方案2可以大大降低基因聚合过程中实验室标记确定的成本。不同的三向组合获得目标基因型的概率显著不同。

不一样。三路组合2的概率最高，达到0181%，组合1的概率最低，只有0125%。因此，三向组合2和标记选择方案2的组合是实现目标基因型的最佳途径。分子设计育种的展望作物分子设计育种是一种新概念，它以生物信息学、基因组学和蛋白质组学为基础，在作物育种过程中，整合作物遗传学、生理学、生物化学、栽培学和生物统计学等所有学科的有用信息，根据特定作物的育种目标和生长环境，在计算机上设计出最佳方案，进而进行作物育种实验的分子育种方法。与常规育种方法相比，作物分子设计育种首先在计算机上模拟实现，考虑的综合因素越来越多，选择的亲本组合和选择途径更加有效，能够满足育种需要，大大提高育种效率。值得指出的是，分子设计育种在未来的实施过程中将是一个结合了分子生物学、生物信息学、计算机科学、作物遗传学、育种学、栽培学、植保学、生物统计学、土壤学、生态学等学科的系统工程。作物分子设计育种是一个综合性的新研究领域，将对作物育种理论和技术的未来发展产生深远的影响。因此，应抓住机遇，充分利用植物基因组学、生物信息学等前沿学科的重大成果，及时开展品种分子设计的基础理论研究和技术平台建设。实现分子设计育种的目标，将大大提高作物育种的理论和技术水平，带动传统育种向高效、定向发展。