編輯 | 新銳恒豐研究院

      來(lái)源 | 瀚辰光翼

      玉米是世界上最重要的糧食作物之一，約占糧食總產(chǎn)量28%，提高玉米產(chǎn)量是促進(jìn)全球糧食安全、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要手段。中國(guó)作為全球最大的玉米生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)之一，玉米產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、推動(dòng)能源安全和促進(jìn)國(guó)際貿(mào)易等方面具有重要意義。

      目前，中國(guó)的玉米產(chǎn)業(yè)面臨著一些挑戰(zhàn)和機(jī)遇。首先是玉米生產(chǎn)成本相對(duì)較高，限制農(nóng)民和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)玉米的需求不斷增加，而我國(guó)土地資源相對(duì)緊張和資源稀缺性，農(nóng)村土地供需矛盾十分突出，使得土地租賃費(fèi)居高不下。此外，還受到化學(xué)農(nóng)藥等農(nóng)資成本高，勞動(dòng)力成本不斷上漲和農(nóng)機(jī)設(shè)備投入越來(lái)越大等多方面因素的影響，導(dǎo)致玉米生產(chǎn)成本不斷升高。其次，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的玉米品質(zhì)相對(duì)較低，不能滿足高端市場(chǎng)的需求。目前國(guó)內(nèi)玉米育種水平相對(duì)較低，先進(jìn)的育種技術(shù)、種植技術(shù)、管理技術(shù)和理念尚未得到廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致玉米品種質(zhì)量相對(duì)較低。此外，玉米產(chǎn)業(yè)面臨著病蟲害、逆境脅迫和氣候變化等多種生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。病蟲害會(huì)導(dǎo)致玉米減產(chǎn)、品質(zhì)下降、溫室效應(yīng)等問(wèn)題，土地、氣候、水資源等逆境脅迫導(dǎo)致玉米生產(chǎn)發(fā)育的受限和損傷，全球氣候變暖、極端氣候事件等導(dǎo)致氣候異常波動(dòng)，增加了玉米生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。

      針對(duì)上述問(wèn)題，可以從“土肥水種，密保管工”（現(xiàn)稱為農(nóng)業(yè)老“八字憲法”））等不同角度提供解決路徑，但培育高產(chǎn)/穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、耐逆的商業(yè)化玉米品種仍是最為有效的手段。育種的的生物學(xué)本質(zhì)是優(yōu)異等位基因的創(chuàng)建、組合與選擇過(guò)程，近些年來(lái)，種質(zhì)資源挖掘重新得到重視，選擇手段逐漸多樣化，以轉(zhuǎn)基因與基因編輯技術(shù)為代表的生物技術(shù)的進(jìn)步為加速實(shí)現(xiàn)該育種目標(biāo)提供了支撐。

      種質(zhì)資源挖掘

      種質(zhì)資源的豐富程度決定了育種的上限。近年來(lái)災(zāi)害頻發(fā)、逆境加劇給玉米生產(chǎn)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，有數(shù)據(jù)表明每年各種病蟲害、雜草等生物脅迫造成的損失占比10%，而干旱、澇漬、鹽堿、高溫高濕等非生物脅迫所造成的損失占比高達(dá)66%，這凸顯出種質(zhì)資源挖掘的重要性與緊迫性。近來(lái)，多地啟動(dòng)種質(zhì)資源平臺(tái)建設(shè)，通過(guò)重新馴化、人工誘變等多種方式豐富種質(zhì)資源。種質(zhì)資源豐富不僅指的是種子資源豐富，也包含基因資源的豐富性，對(duì)種質(zhì)資源基因型的鑒定即可以輔助了解種質(zhì)資源的豐富程度，也有利于種質(zhì)資源的信息化管理。

      隨著自動(dòng)化技術(shù)的迭代與發(fā)展，使得大規(guī)模的種質(zhì)樣本檢測(cè)成為現(xiàn)實(shí)；與此同時(shí)，基于酶切、PCR非特異性擴(kuò)增、多重PCR或多重探針等新的建庫(kù)策略不斷涌現(xiàn)，為不同應(yīng)用場(chǎng)景的基因分型提供了更多可供選擇的技術(shù)手段。

      2.選擇&測(cè)試手段工程化

      在既定的種質(zhì)資源情況下，玉米育種可分為自交系選擇與測(cè)試兩個(gè)階段；雙單倍體理論與技術(shù)的迅速發(fā)展，使得育種家可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量的自交系，改變了原有的邊回交邊選擇的選系模式，DH系的高效選擇成為限制育種速度的瓶頸。隨著生物學(xué)的的發(fā)展，越來(lái)越多表型背后的基因作用機(jī)制被解析，選系的過(guò)程也逐漸由表型選擇向基因型選擇過(guò)度?；蛐瓦x擇不受環(huán)境及發(fā)育時(shí)期限制且易于工程化實(shí)現(xiàn)，大大的提高了篩選地效率和準(zhǔn)確性。

      目前有兩種基因分型的手段用于加速育種進(jìn)程。

      1）分子標(biāo)記輔助選擇：先找出某個(gè)性狀所對(duì)應(yīng)的分子標(biāo)記，然后在雜交育種的過(guò)程中用分子檢測(cè)技術(shù)區(qū)分雜交后代中哪些單株含有這個(gè)標(biāo)記，哪些單株不含有這個(gè)基因，即通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)達(dá)到準(zhǔn)確選擇目標(biāo)性狀的目的。

      2）全基因組選擇技術(shù)：利用覆蓋全基因組的高密度分子標(biāo)記進(jìn)行選擇育種的方法，可通過(guò)構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，根據(jù)基因組估計(jì)育種值進(jìn)行早期個(gè)體的預(yù)測(cè)和選擇，從而縮短世代間隔，加快育種進(jìn)程，節(jié)約大量成本。分子輔助選擇技術(shù)已經(jīng)在作物的育種過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用，全基因組選擇理論上具有更強(qiáng)的工程化屬性和選擇精確度，目前已經(jīng)在畜禽的育種中得到推廣，其在作物學(xué)中的應(yīng)用仍處于模型構(gòu)建與測(cè)試階段。

      3.生物技術(shù)助力玉米育種產(chǎn)業(yè)升級(jí)

      通過(guò)基因工程手段改變植物基因組，為作物品種改良提供了全新的途徑。玉米作為重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，轉(zhuǎn)基因玉米的研究和應(yīng)用展示了科技進(jìn)步在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的潛力，引發(fā)了人們對(duì)新技術(shù)的關(guān)注和討論。通俗來(lái)講，轉(zhuǎn)基因技術(shù)能夠?qū)⒕哂刑囟üδ艿耐庠椿蜣D(zhuǎn)移到玉米基因組中，實(shí)現(xiàn)功能的增強(qiáng)。比如說(shuō)，玉米螟、棉鈴蟲和粘蟲等都是玉米生產(chǎn)上的重要害蟲，在全世界范圍內(nèi)給玉米生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失，為了挽回?fù)p失，大量的殺蟲劑用于防治這些害蟲，大大增加了生產(chǎn)成本以及農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)，在轉(zhuǎn)基因抗蟲玉米推廣種植的國(guó)家，輕而易舉地解決了上述問(wèn)題。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良玉米的性狀，提高產(chǎn)量、提高品質(zhì)、增強(qiáng)抗逆性等，轉(zhuǎn)基因技術(shù)還可以減少農(nóng)藥的使用，提高生態(tài)環(huán)境安全性。此外，以CRISPR-Cas9為代表的基因編輯技術(shù)可以精確地修改玉米基因組，包括增加或刪除特定基因，以改變玉米品種的性狀。理論上可以在不引入外源基因的情況下，通過(guò)對(duì)自身基因的的編輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)更多農(nóng)藝性狀的定向改良。

      綜上，雖然目前我國(guó)玉米育種面臨諸多困境，但種質(zhì)資源的挖掘、育種的工程化實(shí)現(xiàn)及生物技術(shù)的進(jìn)步為突破育種瓶頸，推動(dòng)玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了動(dòng)力。在分子育種中，高通量基因分型技術(shù)同樣發(fā)揮著重要的作用，可應(yīng)用于玉米物種基因組精確標(biāo)記與篩選，候選基因篩選和驗(yàn)證，進(jìn)化、遺傳和群體結(jié)構(gòu)研究等。利用基因編輯技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因組學(xué)技術(shù)、分子標(biāo)記技術(shù)等手段，結(jié)合高通量自動(dòng)化分子檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速篩選和培育抗病蟲害、適應(yīng)性強(qiáng)、高產(chǎn)高效的優(yōu)良玉米品種。此外，在品種保護(hù)方面，這些生物技術(shù)手段結(jié)合高通量自動(dòng)化分子育種檢測(cè)設(shè)備，提高了培育者對(duì)品種的控制能力，同時(shí)也為保護(hù)品種的合法權(quán)益提供了更多的手段和保障。

圖1. 不同應(yīng)用場(chǎng)景下的SNP檢測(cè)方案

      雖然基于PCR或測(cè)序的基因分型手段已上市多年，受限于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高度成本敏感性，在國(guó)內(nèi)，其應(yīng)用多停留在科研領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，單樣本的檢測(cè)成本大幅降低，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的應(yīng)用逐漸可及，育種家和相關(guān)科研人員也可以根據(jù)檢測(cè)目的選擇性價(jià)比最高的檢測(cè)方式（圖1）。種子是農(nóng)業(yè)的“芯片”，在當(dāng)今的大環(huán)境下，建立我國(guó)自主可控、高效高產(chǎn)、靈活方便的高通量分子檢測(cè)平臺(tái)的需求迫在眉睫。

      成都瀚辰光翼科技有限責(zé)任公司提供全國(guó)產(chǎn)、智能化生物育種實(shí)驗(yàn)室高通量基因分型方案，包括高通量植物基因組提取一體化工作站等設(shè)備，解決分子生物實(shí)驗(yàn)室核酸提取、PCR反應(yīng)、核酸質(zhì)控等工作的人力成本、時(shí)間成本問(wèn)題，適合SNP標(biāo)記開發(fā)、品種精準(zhǔn)定向改良、多基因聚合育種、種子質(zhì)量分子檢測(cè)、種質(zhì)檢測(cè)和轉(zhuǎn)基因檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景。設(shè)備擁有全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有效降低實(shí)驗(yàn)成本。

      中國(guó)玉米產(chǎn)業(yè)的百年成就巨大，為中華民族的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。經(jīng)過(guò)幾代玉米科技工作者的努力，使玉米由百年前的“六谷”發(fā)展成為現(xiàn)在的第一大作物，相信生物技術(shù)、信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將大幅度提升玉米種業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，加速實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大國(guó)向農(nóng)業(yè)科技強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。