我國玉米分子模塊設(shè)計育種的前景展望

玉米是我國最重要的禾谷類作物之一，在我國農(nóng)業(yè)資源不斷減少，而人們對優(yōu)質(zhì)玉米需求不斷增加的情況下，依靠科技創(chuàng)新大力發(fā)展玉米育種事業(yè)刻不容緩。由于玉米的重要農(nóng)藝性狀包括抗逆性、產(chǎn)量及品質(zhì)等都是多基因控制的復(fù)雜性狀，針對這些復(fù)雜農(nóng)藝性狀，分子標(biāo)記輔助育種以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)由于僅局限于單個或幾個基因的遺傳改良，已不能滿足當(dāng)前玉米生產(chǎn)對優(yōu)良新品種的需求；而新型的育種模式——分子模塊設(shè)計育種將現(xiàn)代信息技術(shù)和育種工作相結(jié)合，能夠?qū)⒖刂朴衩讖?fù)雜農(nóng)藝性狀的多個有效模塊聚合，提高改良育種效率，為保障我國糧食安全提供有力的理論和技術(shù)支撐?？梢灶A(yù)見，隨著測序技術(shù)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，在未來的玉米遺傳育種中，分子模塊設(shè)計育種必將持續(xù)發(fā)揮領(lǐng)軍作用，其中亟待解決的問題主要包括?3?個方面。

分子模塊的挖掘及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析

在過去的幾十年里，人們已挖掘并鑒定了一大批與玉米重要農(nóng)藝性狀密切相關(guān)的功能基因和?QTL?位點，包括持綠耐旱性、籽粒品質(zhì)、株型以及抗病性等各個方面。但是關(guān)于這些重要農(nóng)藝性狀的分子模塊網(wǎng)絡(luò)并不完全清楚，這極大阻礙了基于分子模塊調(diào)控的玉米遺傳改良。隨著全基因組測序技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，較低的測序成本和高通量的測序數(shù)據(jù)使得大規(guī)模挖掘控制玉米復(fù)雜性狀的基因信息成為了可能——很多的玉米骨干自交系已完成測序，有關(guān)玉米的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)大幅增加；同時，轉(zhuǎn)錄組測序、蛋白質(zhì)組測序和基因芯片等功能基因組研究平臺和玉米突變體庫的構(gòu)建，為深入研究玉米相關(guān)功能基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)打下了良好的基礎(chǔ)。今后還需要借助分子生物學(xué)、基因組學(xué)以及表觀修飾等技術(shù)，深入探索玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀的遺傳基礎(chǔ)及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

高通量表型的精準檢測和利用

表型是基因型和環(huán)境型相互作用的結(jié)果，高效、準確的表型檢測和分析是玉米生產(chǎn)育種中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是優(yōu)良品種篩選、精準育種的先決條件。隨著測序技術(shù)的提高，玉米基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)等快速發(fā)展，而由于玉米表型的高度復(fù)雜性和傳統(tǒng)表型鑒定技術(shù)的限制，導(dǎo)致玉米表型組學(xué)研究相對滯后，也使得相當(dāng)一部分基因組信息無法被充分利用。因此，發(fā)展先進的表型鑒定技術(shù)、搭建高通量表型檢測平臺成為了必然。國內(nèi)外大型企業(yè)及科研機構(gòu)先后在人工氣候或大田等不同環(huán)境條件下建立了各種重要農(nóng)藝性狀的表型鑒定平臺，可以自動化收集表型數(shù)據(jù)。在未來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如何利用先進的高通量表型檢測技術(shù)和平臺精準收集表型數(shù)據(jù)信息，并與基因組學(xué)等多學(xué)科技術(shù)相結(jié)合，深入挖掘與玉米重要農(nóng)藝性狀密切相關(guān)的分子模塊，以促進玉米高通量遺傳育種將是今后人們關(guān)注的重點，也是實現(xiàn)玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀改良的理論基礎(chǔ)。

多學(xué)科的交叉與融合

玉米分子模塊設(shè)計育種作為一個多學(xué)科的集合與交叉，是一項高度綜合的系統(tǒng)工程，需要將基因組學(xué)、表型組學(xué)、計算生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和合成生物學(xué)相結(jié)合，對控制玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀的分子模塊進行解析、組裝、耦合，并進行新型品種的分子設(shè)計和培育。但值得注意的是，目前我國玉米育種隊伍比較分散，研究缺乏持續(xù)性和系統(tǒng)性。因此，在今后的育種工作中需要高度整合資源，加強多學(xué)科交叉和共性技術(shù)集成以加強玉米分子育種平臺的建設(shè)，完善和促進玉米分子模塊設(shè)計育種體系。利用分子模塊設(shè)計育種技術(shù)無疑能夠全面解析控制玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀的重要分子模塊，通過多模塊的耦合和組裝模擬，實現(xiàn)復(fù)雜性狀的定向改良，培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的玉米新品系。

我國是農(nóng)業(yè)大國，玉米的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)對于保障我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和國家糧食安全具有重大的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。在過去的幾十年里，我國玉米育種取得了舉世矚目的成績，總產(chǎn)不斷上升，但是單產(chǎn)相對較低。將分子模塊設(shè)計育種充分應(yīng)用到玉米育種工作中，是將分子生物學(xué)前沿知識與生產(chǎn)育種實踐的緊密結(jié)合，對于玉米育種的發(fā)展，特別是對于玉米復(fù)雜性狀的遺傳改良具有重要的引領(lǐng)作用。玉米分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系的建立，將有助于提升我國農(nóng)作物育種的技術(shù)水平，實現(xiàn)從“經(jīng)驗育種”向“精準育種”的轉(zhuǎn)化，加速我國玉米新品種的選育進程。（作者：郝懷慶 劉麗麗 姚遠 馮雪 李志剛 晁青 夏然 劉宏濤 王柏臣 秦峰 謝旗 景海春 中國科學(xué)院植物研究所北京 中國科學(xué)院重大科技任務(wù)局北京 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所北京中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所上海 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院北京《中國科學(xué)院院刊》供稿）