分子模块设计育种科技将创造新一代农业生物品种

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆总馆现代农业科技情报研究团队杨艳萍（E-mail：yangyp@mail.las.ac.cn）、袁建霞、董瑜

审稿专家：中科院遗传与发育生物学所薛勇彪研究员

分子模块设计育种科技将创造新一代农业生物品种

整理撰稿人：中科院国家科学图书馆总馆现代农业科技情报研究团队杨艳萍（E-mail：yangyp@mail.las.ac.cn）、袁建霞、董瑜

审稿专家：中科院遗传与发育生物学所薛勇彪研究员

近年来，随着生命科学、信息技术在农业领域的渗入和迅猛发展，世界各国都非常重视利用分子标记辅助选择和转基因等育种技术来提高农产品产量，确保粮食安全和抢占现代农业科技前沿制高点。然而，由于动植物的重要农艺（经济）性状都是由多个DNA为基因控制的复杂性状，其基因调控网络常呈现“模块化”的特征，现有的分子育种技术对性状改良的范围和空间有限，不能满足复杂性状分子设计育种目标的需求，因此未来的发展方向是多基因控制、多目标嵌入的分子模块育种[1]。基于上述认识，中科院科学家于2008年提出了“分子模块设计育种”的新型育种理念，以期建立面向未来的新一代生物育种技术。

1 科学内涵及意义

分子模块设计育种是一种以组学、分子生物学、系统生物学、合成生物学、计算生物学的发展为基础，以培育动植物新品种为目标导向的新型育种理论和技术体系，主要包括3个步骤：（1）发掘和解析分子模块，即运用分子生物学、基因组学和系统生物学等前沿生物学研究的最新成果，对控制农业生物复杂性状的重要基因或QTLs及其等位变异进行功能研究，解析功能基因及其调控网络的可遗传操作的功能单元；（2）阐明分子模块耦合机理，采用计算生物学和合成生物学等手段将上述模块有机耦合，系统发掘分子模块互作对复杂性状的综合调控潜力，并开展理论模拟和功能预测，实现分子模块群与遗传背景及区域环境三者的有机协调统一，发挥分子模块群对复杂性状最佳的非线性叠加效应；（3）在全基因组水平上进行多模块优化组装，实现复杂性状的定向改良。在此基础上，建立新一代超级品种培育的系统解决方案和育种新技术，培育新的“设计型”动植物品种[2-4]。

分子模块设计育种是生命科学前沿科学问题与育种实践的有机结合，将推动分子设计育种的重大理论和技术突破，引领育种技术革命的新方向。分子模块育种创新体系的建立，将有助于提升我国动植物育种的技术水平，培育出一批高产、优质、稳产和高效的动植物新品种，推动我国生物育种战略性新兴产业的发展。这对提高我国农业综合生产力、增强农产品国际竞争力以及保障我国粮食安全有着非常重要的战略意义。

2 国内外研究进展

分子模块设计育种尚处于起步阶段，大量研究主要集中在重要基因或QTL及其等位变异的挖掘等前期基础工作上。国内外研究人员已在多种重要动植物中定位和克隆多个控制高产、优质、抗逆、营养、高效等重要性状的基因或QTL[3，5，6]。相关的育种模拟工具也日益成熟并在育种中应用，可模拟复杂遗传模型和育种的计算机软件QuLine、QuHybrid和QuMARS相继问世，并已用于不同育种方法的比较研究中[5]。

虽然现阶段尚未实现真正通过预先设计进行复杂性状改良的品种培育，但近年来很多重要成果与重大技术发明均表现出了模块化功能的特征，如在小麦中导入黑麦1BL/1RS染色体置换片段，该天然育种模块的应用已经培育出了大量高产抗病新品种；水稻理想株型基因IPA1、水稻粒宽基因GW8及其miRNA156关系的阐明，为水稻产量的大幅度（＞10%）提升奠定了基础；利用银鲫雌核生殖和两性生殖双重生殖方式培育出的异育银鲫“中科3号”，即是一个新的核质杂种克隆品种，其平均增产达20%以上[7]。

3 中国的优势

我国已在分子模块设计育种领域进行了前期部署，“973”计划和“863”计划均设立了分子设计育种项目，并开展了相关工作[8,9]。中科院也先后组织实施了“小麦、水稻重要农艺性状的分子设计及新品种培育推广”重大项目和“分子模块设计育种创新体系”战略先导专项。这些项目的实施为我国凝聚了一大批国际知名科研力量，完善了相关学科布局，为进一步的研究工作奠定了坚实的基础。

我国在基因组学研究方面处于国际领先地位，先后完成了水稻、小麦、棉花、鲤鱼、草鱼、山羊等多种动植物品种的全基因组测序；蛋白质组、代谢组、表型组等系列“组学”平台建设日趋完善。功能基因组研究具有世界先进水平，完成了一大批有重要应用前景的动植物基因的克隆与功能解析，已建成包括水稻大型突变体库、全长cDNA文库、全基因组表达谱芯片等大型功能基因组研究平台。目前已建立了多个可用于分子模块设计育种的遗传群体，如NAM群体、MAGIC群体和染色体置换系等。

4 标志性目标和成果

分子模块设计育种技术的突破将会解析和阐明动植物高产、稳产、优质、高效等重要农艺（经济）性状的遗传网络及其分子模块控制理论，获得具有重要育种价值的分子模块，并建立起多模块耦合的遗传操作技术，解决现有育种技术的瓶颈问题。最终将建立起从“分子模块”到“设计型品种”的现代生物育种创新体系，实现动植物多个复杂性状的协同改良，培育出一批高产、优质、稳产和高效的分子设计型动植物新品种。

1白春礼.世界正处在新科技革命前夜.光明日报，2012年12月30日.

2路甬祥.迎接新科技革命挑战，引领和支撑中国可持续发展.2010年2月26日在全国人大常委会第十四次专题学习会上的讲座.

3王健康，李慧慧，张学才等.中国作物分子设计育种.作物学报,2011,37（2）：191-201.

4储成才.转基因生物技术育种:机遇还是挑战？植物学报,2013,48(1):10-22.

5薛勇彪，段子渊，种康等.面向未来的新一代生物育种技术——分子模块设计育种.中国科学院院刊,2013, 28（3）：308-314.

6孙效文,梁利群,闫学春.水产养殖动物基因组研究的现状及其应用前景.水产学报,2004,28(6):716-722.

7 http://www.973.gov.cn/ReadCont.aspx?aid=352.

8 http://www.39kf.com/yyjj/biotechnology/01/2009-01-06-554838.shtml.

9 http://www.genetics.ac.cn/xwzx/zhxw/201207/ t20120723_3620168.html.