玉米育種技術(shù)的主要發(fā)展歷程

雜交育種技術(shù)——玉米育種的“基石”

雜交育種技術(shù)是在有性雜交基礎(chǔ)上，通過前期的表型選擇和后期的遺傳重組，利用雜種優(yōu)勢(shì)來進(jìn)行育種。該方法無法直接檢測(cè)材料的基因型，而主要是通過對(duì)玉米材料的表型性狀來推測(cè)基因型。雖然早期的科研工作者利用雜交育種技術(shù)培育了一系列高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的品種，然而隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)育種技術(shù)的缺陷逐漸顯現(xiàn)出來：育種周期太長(zhǎng)，如果要定向改良一個(gè)農(nóng)藝性狀，從選擇目標(biāo)表型性狀進(jìn)行雜交到培育出新品種一般需要7—8年的時(shí)間；育種效率較低，選育?1?個(gè)新品種往往需要配制上千個(gè)雜交組合；對(duì)雜交后代的表型難預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)常規(guī)育種工作在很大程度上主要依賴于育種工作者的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)育種材料的遺傳基礎(chǔ)、配合力、環(huán)境影響了解較少，因此很難預(yù)測(cè)雜交后代的表現(xiàn)。此外，玉米自交系材料遺傳基礎(chǔ)狹窄、種間生殖隔離的存在等，在一定程度上限制了人們對(duì)特定材料的改良。

分子育種技術(shù)——玉米育種的“加速器”

分子育種技術(shù)是將生物遺傳學(xué)理論與常規(guī)育種相結(jié)合，通過利用基因型對(duì)目標(biāo)材料進(jìn)行性狀改良，從而培育符合人們所需的新品種。早期的分子育種技術(shù)主要包括分子標(biāo)記輔助育種和轉(zhuǎn)基因育種。分子標(biāo)記輔助育種主要以?DNA?多態(tài)性為基礎(chǔ)，通過標(biāo)記目的基因進(jìn)行性狀改良，為實(shí)現(xiàn)對(duì)基因型的直接選擇提供了可能。轉(zhuǎn)基因技術(shù)則是通過分子生物學(xué)手段將目的基因轉(zhuǎn)到受體材料中，在短時(shí)間內(nèi)獲得所需的生物性狀。目前轉(zhuǎn)基因技術(shù)在抗除草劑及抗病蟲害等方面發(fā)揮了非常重要的作用，其中抗除草劑基因包括草胺膦乙酰轉(zhuǎn)移酶（BAR）基因和5-烯醇丙酮莽草酸?-3-?磷酸合成酶（EPSPS）基因，而抗蟲基因主要是?Bt?基因。轉(zhuǎn)基因技術(shù)從1987年開始到現(xiàn)在已獲得了極大的成功，有些抗蟲、抗除草劑品種已進(jìn)入商業(yè)化推廣或生產(chǎn)階段。與傳統(tǒng)雜交育種技術(shù)相比，分子標(biāo)記輔助育種和轉(zhuǎn)基因育種被認(rèn)為是定向選擇、改善目標(biāo)性狀的高效、精準(zhǔn)的方法，可以縮短育種時(shí)間，在一定程度上提升了我國(guó)的玉米育種水平；缺點(diǎn)是涉及到的基因通常為單個(gè)或少數(shù)基因，只能針對(duì)簡(jiǎn)單的農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳改良。

分子模塊設(shè)計(jì)育種——玉米育種的新突破

隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，分子設(shè)計(jì)育種逐步成為了玉米育種中主要的育種方式。該育種理念最早由?Peleman于2003?年提出，我國(guó)科學(xué)家也先后開展了針對(duì)作物重要農(nóng)藝性狀的分子設(shè)計(jì)及新品種培育的推廣等重大項(xiàng)目。然而，由于作物大多數(shù)重要的農(nóng)藝性狀都是由多基因控制的復(fù)雜性狀，更為重要的是控制這些復(fù)雜性狀的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)通常呈現(xiàn)“模塊化”的特性，而現(xiàn)有的分子育種技術(shù)無法解決復(fù)雜農(nóng)藝性狀的遺傳改良這一難題。因此，分子模塊設(shè)計(jì)育種這一新型育種理念由此被提出。分子模塊設(shè)計(jì)育種實(shí)際上是分子育種的一個(gè)新的類型，主要以基因組學(xué)、分子生物學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)及計(jì)算生物學(xué)為基礎(chǔ)，將多學(xué)科的發(fā)展與玉米育種相結(jié)合，以培育具有目標(biāo)性狀的新品種。分子模塊設(shè)計(jì)育種主要包括?3?個(gè)方面：①發(fā)掘和解析分子模塊，對(duì)控制復(fù)雜性狀的重要基因或?QTL（quantitative trait locus）進(jìn)行功能研究；②對(duì)發(fā)掘的模塊進(jìn)行有機(jī)耦合，并進(jìn)行理論模擬和功能預(yù)測(cè)，提出最佳選配策略；③在全基因組水平上進(jìn)行多模塊優(yōu)化組裝，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性狀的定向改良。無論是從理論上還是技術(shù)上都可以說分子模塊設(shè)計(jì)育種是我國(guó)玉米育種事業(yè)的一個(gè)新突破，是實(shí)現(xiàn)玉米復(fù)雜性狀分子改良的基礎(chǔ)，也將在今后的實(shí)踐過程中成為新品種創(chuàng)制的主力軍。