生物技术在水稻育种中的应用研究

沙伟超

（光明母港（上海）种业科技有限公司，上海 202177）

水稻作为世界三大粮食作物之一，其种植面积占据世界粮食种植总面积的1/5。生物技术主要有两大核心，分别是基因工程与细胞工程，这2 项技术均与水稻育种有着极为密切的关联，如其中的发酵工程及酶工程等生物技术在水稻育种中得到了广泛运用［1］。

1 基因工程

将基因工程与水稻育种紧密结合，旨在通过基因克隆将优质基因转移到水稻上，以此达到改良水稻遗传特性的目的［2］。

1.1 基因枪法

基因枪法是一种以高速金（钨）微粒作为载体，再以高压放电和压缩气体的方式产生巨大动力，让靶细胞能精准接收到附有目标DNA 的高速金（钨）微粒。随后在未知机制的作用下，使得植物的染色体将外源的DNA 吸纳，以此达到转移基因的效果。相较于其他基因转移的方法，基因枪法具有较高的可控度，可向特定的细胞射入金属微粒，期间不会受到宿主方面的任何限制［3］。缺点是轰击与整合的位点无法固定，也因此更容易出现基因突变或基因丢失等状况，继而对外源基因在生物体内表达的稳定性产生影响。

1.2 花粉管通道法

花粉通道法主要指授粉后将外源基因引入植物的技术。在授粉过程中，柱头中的花粉形成一个通道。授粉后外源基因导入植物技术便是模拟了这一过程，使得外源DNA 借由花粉的管通道进入到胚囊中。而此时的受精卵与生殖细胞因尚处于“原生质体”状态，细胞壁还未形成。因此，外源DNA 可轻松进入并与原本的基因进行整合，达到遗传转化的目的。授粉后外源基因导入植物技术的具体操作与植物授粉类似，即直接在植物的柱头处均匀涂抹花粉［4］。

1.3 农杆菌介导法

革兰氏阴性菌是存在于土壤中的一种细菌，其学名为农杆菌。该菌种的特殊之处在于容易让双子叶植物的受伤部位遭受感染，从而出现根癌农杆菌和发根农杆菌。基于此，人工基因转移也效仿了此特性，将根癌农杆菌Ti 质粒和发根农杆菌Ri 质粒插入到植物的基因组之中，以改良水稻的性状，使其能更好地生长。

1.3.1 农杆菌介导法优点

农杆菌介导法能确保转化过程的稳定性，可以人为控制外源基因在植物器官内的特异性表达，使得由农杆菌介导法转入的外源DNA 不仅拥有完整的结构，而且在机制的反应方面十分清晰，因此该方法被广泛运用到了育种过程中的选育材料阶段。

1.3.2 农杆菌介导法缺点

由于再生植物细胞和转化植物细胞本身的接受状态可能存在差异，加之受农杆菌的影响，会导致最终检测结果呈阳性。虽是假阳性，但仍会对单子叶植物的转化产生影响，现阶段的农杆菌介导法仍仅被运用到双子叶的植物中。

2 细胞工程

2.1 细胞工程育种简述

在细胞水平上结合植物细胞，然后进行细胞质和染色体移植等一系列操作，改变植物的原始特征，由此衍生出的植物新品种也将具有新的性状，这便是细胞工程技术［5］。在研究细胞工程技术时，有植物学家曾经做过这样一项细胞工程试验，即将2 种植物体细胞进行杂交，在创造出一个新细胞后随即进行了单细胞培养。培养过程中，细胞先后经历了分裂与分化，在产生组织后又进一步发芽生根，最终长成了新的植物。新长成的植物因是由2 个亲代植物杂交而成，故在具有亲代各自的特征同时，外形也与亲代植物的组合体极为类似。

2.2 细胞工程育种的特点

细胞工程育种不仅可以对原有的植物品种进行改良，还能衍生出新的植物品种，继而通过筛选拥有良好性状的植物，可达到提升植物繁育、生长速度，强化种子抗病、抗虫、抗旱能力的目的。此外，经过细胞工程技术的改良，性状得以优化的植物还能将优质基因遗传给下一代，育种效率进一步提升，育种年限也随之缩短。

2.3 细胞工程技术在水稻育种中的应用

1970年，我国就水稻育种的细胞工程项目进行了研究，该项目主要在中国科学院进行。起初尝试将水稻花粉脱离植株并进行单独培养。在中国科学院的精心培育下，最终培育出2 个新的水稻品种。此后的50年间，我国育种专家不断在水稻育种中尝试运用多项细胞工程技术，而经过细胞工程技术改良后的水稻品种如今已被广泛运用到了实际的种植作业中。水稻种植的快速发展在传统育种、杂交和选择“恢复性”和“非恢复性”水稻材料方面发挥了重要作用。

2.4 体细胞无性系变异（体变育种）

在培养体细胞时，由于植株后代可能会有变异的情况发生。为方便区分变异性状的可遗传情况，科学家根据变异是否会遗传的特征而将可遗传的变异统称为体细胞无性系变异。具有此项特征的新品种不仅得以推广应用，还能够在保持原品种优良特性的同时改善原品种的部分缺点，比如高秆、迟熟等。基于此项研究，我国将此研究成果应用于水稻育种中，因此我国也是第1 个对水稻实施体细胞无性系变异的国家。

随着研究的不断深入，第1 个体变水稻新品种“黑珍米”于1992年问世；1998年，在将无性系变异与辐射技术结合后，具有中熟高产、能抗稻瘟病的早籼新品种中组1 号宣布培育成功。

2.5 原生质体培养和体细胞杂交

1986年，英国Coking 实验室公布了其所建立的水稻原生质体培养的完整实验体系。该体系虽是以前人的研究为基础，该项研究却额外证明了全套的遗传信息仍保留在细胞脱壁后的原生质体之中，也就是说原生质体的全能性并未受到细胞脱壁的影响。因此，从理论上来看，一旦处于合适的条件，原生质体仍有重新生长成株的可能。不仅如此，此项研究还提供了一项更有价值的信息：原生质体并未因细胞脱壁而导致遗传信息受损，且此时的原生质体以裸露的形式存在，故可将其作为遗传转化的工具，直接对其进行遗传操作，比如直接进行外源DNA、细胞器与质粒的注入等，由此便可解决远缘原生质体融合后能超越性细胞不亲和的障碍。1990年，日本公布第1 个粳稻品种培育成果，经过审定也确定其是第1 个经过原生质体培育而成的粳稻品种，日本将其命名为“初梦”。

2.6 胚挽救

在高等植物的远程杂交中，为了避免胚乳缺乏或种子胚胎不清楚，通常使用无激素培养法将其直接培养成种子，这种技术被称为胚挽救。使用胚挽救可以显著提高远距离杂交的成功率，比如国际水稻研究所成功地利用胚挽救技术获得了养殖水稻的褐化抗性。

3 分子标记技术

3.1 分子标记技术的简介及原理

DNA 分子标记技术是一种依靠追踪基因组DNA中的核苷酸排序，再对其差异予以示位的标记技术，借此技术便可解释不同个体潜藏遗传变异差异。此技术早在20世纪80年代便已出现，主要由两大重要技术组成，分别是Simple Sequence Repeat（简单重复序列，简称SSR）和Restriction Frag mentLength Poly morphism（限制性片段长度多态性，简称RFMP）。其中，SSR 又包含了PCR 技术与微卫星DNA 特性标记技术，其原理便是基于真核生物的基因组上存在的一序列短串联重复序列而导致不同个体的重复序列长度不相同。根据此番差异便可在序列两端设计引物来扩增微卫星序列。而由于序列长度的不同，电泳的条带大小也会存在明显差异。

比SSR，RFLP 技术出现的时间更早，该分子标记技术是Grodzicke 等在1974年创立，依循的是DNA杂交技术的相关原理，故在早期的运用十分广泛。这项技术的主要原理是通过切割整个基因来获得不同长度的DNA 片段，然后在southern 印迹杂交和放射成像下获得合适的图谱，从而获得不同人群中酶消化位点的多态性。

3.2 分子标记技术的特点

基于分子标记技术具有共显性，可将其用于杂合子与纯合子基因型的鉴定与识别。如果分子标记的最终表达是中性的，意味着其与不期望的特征之间没有关系。此外，分子标记技术的主要优点是操作简单，检测过程极快，这也是分子标记技术能够广泛应用于临床医学诊断的主要原因。

3.3 分子标记技术在水稻遗传育种中的应用

由分子标记技术拓展出的基因定位、基因筛选、基因克隆及基因型鉴定等均是水稻遗传育种过程的必然操作。而在上述技术的支撑下，不仅能提高水稻遗传育种的准确率，且育种的周期及年限也能得到缩短。

极强的目的性让该技术被广泛运用到了水稻的遗传育种中。现阶段，分子标记技术主要用于提升水稻育种抗病虫害的能力，这是因为分子标记技术使得水稻育苗在选择抗病基因方面的精准性得到了显著提升。此外，我国科学家郑祥正等发现了一种标记，名为indel，该标记能够准确区分对抗病与非抗病基因的分型，使水稻抗瘟病种质的筛选工作得到极大简化，也由此提升了水稻育种抗瘟病的特性。

4 基因编辑技术

4.1 基因编辑技术的简介及特点

基因编辑是一种能够对生物体特定目标基因予以准确修饰的新技术，通过使用替代、定点突变等方法对原有基因进行修饰，将使物种原本的基因型发生改变，进而达到改变物种性状的目的。

4.2 基因编辑技术在水稻育种中的应用

试验数据表明，基因编辑技术与水稻育种的速率关联十分密切，比如在CRISPR/Cas9 技术的培育下，水稻的出苗率将得到显著提升；国内研究者覃玉芬便是基于CRISPR/Cas9 技术对水稻GXU41 及TM55 品种的2 个靶位点进行了系统编辑，由此培育出了T0 代的纯合突变阳性植株，后续又在此基础上培育出了T1 代无外源性标记的植株，由此证明了基因编辑技术能让TGMS 系效率得到显著提升。随着人们生活水平的不断提升，对生活品质的要求也越来越高，就日常饮食而言，人们既要求水稻具有良好的口感，同时要达到香糯的程度。这便需要对水稻直链淀粉的含量加以控制，而基因编辑技术恰好能达成此项目标，经由基因编辑技术让水稻的性状发生改变，从而让水稻中的直链淀粉含量达到理想水平，由此满足人们的食用需求。

5 AI生物育种

5.1 AI生物育种的简介及特点

人工智能生物育种（育种4.0）是以分子育种为基础，融合生物信息学、群体遗传学、大数据、人工智能等多学科交叉的智能育种解决方案，是全基因组选择性育种基因组学的更新和优化，也是中国“十四年CIN 计划”种业创新项目的关键技术领域。相对于常规育种依赖于育种家的经验，AI 生物育种则是通过人工智能主导的计算引擎快速分析实验数据，从而确定候选基因、开发分子标记以及预测遗传改良目标，再结合转基因、基因编辑系统进行分子育种是水稻育种发展的最终方向，因为其显著优化了育种效率，扩大了可转换基因型，缩短了水稻种植周期。

5.2 AI生物育种技术的应用

目前，AI 生物育种技术已经在一些作物上得到应用。美国的BENSON HILL 公司利用机器学习、计算生物学和基因编辑发现和培育了具有改进特性的农作物，包括作物产量、抗逆性、营养品质及味道和质地等。其仅用3年就选育推广超高蛋白（UHP）大豆品种，而正常育种时间需要10～15年。国内也有公司通过建立全智能数字水稻种植示范区，让精准设计排布在农田上的各类传感器实时进行高通量表型数据采集和鉴定，从而实现大幅缩短时间、减少人工等目的，通过结合基因定位、基因聚集、标记追踪等技术，初步筛选出耐旱、耐低氮的品种，为培育抗逆水稻创造了中间材料。

6 结束语

生物技术以及其他各相关学科在水稻育种中的综合运用虽处于新兴阶段，但确实是水稻育种发展的必然趋势和必经之路。因此，关于生物技术应用仍要不断深入研究。考虑到国内缺少目前既懂生物技术又懂育种或者既懂育种又懂其他交叉学科的专家，故为推动生物技术研究不断向前，需多方密切协同配合并发挥各方优势，这样才能为生物技术的发展起到良好的推动作用。