专家访谈
育种现状与前景-访华大基因研究院张耕耘副院长

 

【编者按】:育种是通过创造与利用遗传变异、改良遗传特性,以培育优良动植物新品种的过程。良种与良法是现代高效农业生产,包括种植业和养殖业的核心。随着科学的不断进步,越来越多的新技术应用于育种实践中。育种过程中往往结合了遗传学、应用生态学、生理学、生物化学、病理学和生物统计学等多种学科的知识。本次生物谷特邀了几位在育种界很有影响力的专家,针对当前的育种现状、新技术在育种中的应用以及育种的前景展开探讨。

 

张耕耘教授

美国罗格斯大学(Rutgers University)博士,现任深圳华大基因研究院副院长,生命科学事业部负责人,“农业基因组学国家重点实验室”主任。曾主持或参与科技部“863”、农业部“948”、国家科技支撑项目等多个大型科研项目,带领团队在国际一流学术期刊发表文章四十余篇;申请国内外专利72项,其中36项已获得授权。倡议并组织实施了大豆、玉米、谷子等的基因组图谱构建。

  • 1.目前育种采用的手段有哪些?存在着怎样的不足?

    人类进入农耕社会以后,育种基本是农业上一个永恒的主题,目标是为了获得具有更好农艺性状的品种。到目前为止,育种方法一般可以分为以下三种:传统表型选育育种、分子标记辅助育种和生物技术转基因育种。


    传统育种方法最初就是简单的选优,把最好的株系选出来。随着人们对遗传学有了比较清晰的认识后,开始有目的地做杂交,从杂交后代中选择满足人们需求的优良品系,也就是现在一般都说的杂交育种。


    随着生物技术的不断发展和遗传学研究的不断深入,生物技术育种随之产生。这时我们能够知道哪些性状是由哪些特定基因控制的,能够利用转基因技术获得添加了目的性状的品种,这也就是许多人都知道的转基因育种。但是现在转基因育种,无论是国内或国外都存在着很大的争议,转基因食品的安全问题更是受到大众的关注。


    分子标记辅助育种是从90代开始逐渐兴起,它实质上也属于传统育种,仅仅是在育种过程当中,利用分子标记来辅助育种家选择最优的株系。分子标记的确定也是基于遗传学研究,要确定哪个基因影响目标性状,或者是哪个标记与控制某一性状的基因紧密连锁。分子标记辅助育种是通过判断基因组层面是否有某一类型的标记存在而不是通过表型性状来进行选择。


    对于传统育种来说,它最大的问题是育种进程慢。一般培育一个一年生作物新品种需要5-8年的时间。对于生长期比较长的植物来说,例如果树,利用传统育种获得一个新品种有可能需要更长的时间,10年甚至20年。转基因育种能够比较快速的获得新的品种,但是由于转基因问题在公众中的认知、政府的相关政策以及不同国家间也缺乏足够沟通和共同认可的法律法规,转基因育种的大范围使用受到了极大的限制。而动物育种的进程就更慢了,有的育种家可能终其一生都无法获得一个新品种。分子标记辅助育种虽然从90年代就已经开始在用,也有一些不错的结果,但并没有形成大的规模,原因就在于分子标记开发成本较高,同时能够给育种家做指引有帮助的分子标记数量非常有限。由于育种的技术手段不够先进从而导致整个育种进展非常缓慢,这也是中国种业面临的一个比较严峻的问题。

  • 2.二代测序技术的出现对育种会产生哪些重要影响?

    二代测序技术是从05、06年开始推出市场,07年技术成型,华大基因率先采用这套技术应用于育种实践,并验证了该技术的高效率,高速度以及低成本。从09年开始,二代测序技术在所有生物学研究和应用方向被快速地扩展开来,得到了广泛的应用。二代测序技术为整个生物学研究,包括育种、医疗健康等领域带来了革命性的变革。


    二代测序技术大大的推动了分子标记开发,并且是全基因组范围的,使得全基因组分子标记辅助育种成为可能。对育种家来说,他们有清晰的育种目标,但是只通过田间的表型选择的话,则无法知道它的基因型是怎样的,无法判断选择的样本在其他方面的表现如何,在后代是否会发生分离等。比如为什么这些株系具有这样优良的表型,如何从表型相差不大的多个植株中挑选更优秀的品种用作杂交亲本,没有人能够给出确定的说法,传统育种常处在知其然却不知其所以然的境地。传统育种往往依赖于育种家的直觉和经验,被看作是一门“艺术”,如果我们从基因组水平了解到育种过程基因型的变化,那么育种将变成“工程”。


    二代测序技术出现,真正解决了材料的基因型鉴定问题。以前由于基因型鉴定成本过高,效率太低或时间太长,在实际运用中不可能实现。但现在依托于高效率、低成本的二代测序技术,育种家们完全可以在苗期甚至在种子还没有萌发时,通过基因型鉴定就能做出正确判断:哪些有价值,哪些是完全没有价值,大大的提高了育种效率。


  • 3.在新的技术影响下,获得新品种的关键环节是什么?

    育种简单来说就是选择加利用种质差异的过程。对已有的或用各种方式创造出来的变异,通过育种家们的选择,筛选其中具有特定优良性状的材料,再利用不同的育种方法如杂交等进行组合和选育,最终获得新品种。


    育种最关键的两个因素,一个是种质的变异信息,如多态性和可用性如何;第二是选择手段。首先需要确定存在我们感兴趣的那个性状以及控制它的基因,才能通过一定的选育手段获得具有此性状的品种。二代测序技术应用于育种过程,大大的提高了选育的效率。因为通过全基因组测序可以高效低成本的获得任何个体的高密度基因型信息,如染色体上不同区域基因片段的来源都可以一清二楚。


    以前在育种过程中最大问题在于选育手段,因为技术的落后,导致选育过程很漫长,往往需要5-8年,对于生长周期长的物种来说选育甚至需要20年。而现在大概需要5到6个育种周期,对于一年生作物来说,通过南繁加代2-3年就可以将我们需要的目标株系培育出来。所以,当选育技术不再是瓶颈,而是变成一个标准流程或工程化操作时,那么要想获得新品种,就在于种质资源,即是否具有好的材料。


    总而言之,现在获得一个新品种的关键是好的育种材料和新的选育技术的结合。

  • 4. 华大利用二代测序技术在农业方面取得了哪些显著性成果?

    2002年华大通过霰弹法利用第一代测序技术完成了水稻基因组图谱,当时也是由中国人第一次完成水稻基因组测序。到了2007年,华大引入二代测序技术,利用该技术华大在农业相关物种基因组研究上取得非常大的进展,并对世界农业进展做出了贡献。


    从完成的基因组数量来说,到目前为止,利用二代测序技术,华大基因完成的与农业相关的物种的基因组图谱的数量占现在报道测序已经完成或即将完成的农业相关物种数量的2/3。从2008年到2013年,由华大自主完成或与其他单位合作,甚至多个国家共同协作完成的农业相关物种基因组超过120个。


    从产生的数据来说,华大进行的基因组测序包括重测序,积累的数据占全球农业相关物种数据的2/3以上。深圳国家基因库是由国家发改委出资,依托华大基因建立的中国第一个国家基因库,我们所有数据都储存在基因库里,这为中国做育种相关工作的人们提供了非常好的工作基础。


    从育种运用来说,2009年华大启动建立自己的农业部门,目标是把基因组技术尽快运用应用到农业领域里,包括动物、植物、海洋生物和微生物。到目前为止,我们也做出了一系列利用全基因分子标记辅助技术快速选育新品种的成功案例,如水稻,小米,羊,石斑鱼,大豆,棉花等。我们从技术上证明了二代测序技术运用在育种上已毫无技术障碍。


    概括来说,第一,主导或合作完成了测序全球2/3和农业相关的物种;第二建立了全球最大的基因组学数据库;第三,开发了高通量基因分型的技术平台,搭建了全基因组分子标记辅助育种平台,打通了的各个技术环节,并有成功案例向育种学家展示,如杂交小米母本材料的快速改良,重要水稻株系的快速改良、动物新品系的选育。

  • 5、对育种未来的展望:二代测序技术的出现给育种行业带来的最大影响?目前整个育种行业的前景怎样?

    二代测序技术的出现大大提高了育种的效率和缩短了育种的时间周期。全基因组分子标记辅助育种整套系统被证明是低成本的、快速的、高效的,无路是在理论上还是实践中都能被育种家所用。


    现在育种竞争已进入到白热化状态,越来越多的竞争者进入中国市场,中国种业现在的状态可说是内忧外患。外患是国外一些大种业公司逐渐进驻亚洲市场,给中国种业公司形成巨大压力和威胁,他们有着明显的优势:规模大、效益好,技术高。内忧是中国的种业一直都是小而散的局面,若要快速建立技术平台,还是有点心有余而力不足。但是中国的种业还是有自身优势:育种团队多;由于地域辽阔,气候和地域类型变化多样,所以种质资源丰富。只要提供给育种家们高效育种技术和支撑,是可以快速把优质种质整合起来,形成一些适应于特定地域的更优秀的品种的。


    二代测序技术导致的另一变化,是技术的产业化即可提出全面服务的平台已出现,华大基因就是个很典型的例子。华大原来主要是提供基因组学的服务,现在这些技术也已快速扩展到育种相关的领域。同时测序技术的不断发展,测序成本的不断降低,使得二代测序能够以众多育种研究人员能够接受的费用整合到育种的过程中,加快育种的进展。对于育种科学家来说,从设备采购、人员培训、维护、信息分析系统建立,是一个非常庞大、耗钱、耗时的过程,同时也是传统育种家们不熟悉的东西。但是现在全面技术服务平台的出现,使得育种家们能够将这部分自己不了解的部分外包,将自己的种质优势、经验优势和测序技术服务整合起来,达到共赢。不仅改变了原有的育种模式,同时大大的提高了育种的效率。华大也希望通过提供一个强有力的技术平台助力全球科学家们,让他们在科研和育种的道路上,走得更快,做得更好。


    概括对于育种产业影响来说,第一、依托于二代测序技术育种进入了快速发展的快车道,该技术会推动育种家们在科研和育种的路上走得更快、更远;第二、育种相关技术服务平台已经在中国建立起来,大家应该互相协作,强强联合,把各自优势发挥出来,推动中国育种业快速发展。

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