作物育種技術(shù)常用的有9種：遠(yuǎn)源雜交、自交不親和、雜種優(yōu)勢(shì)利用、單倍體育種、多倍體育種、基因組編輯、全基因組選擇、分子設(shè)計(jì)育種、轉(zhuǎn)基因育種。

傳統(tǒng)遺傳育種方法是建立在有性雜交的基礎(chǔ)上，通過(guò)遺傳重組和表型選擇進(jìn)行新品種選培。隨著所用品種遺傳多樣性逐步減少，傳統(tǒng)育種瓶頸效應(yīng)愈來(lái)愈為明顯，利用常規(guī)育種技術(shù)已經(jīng)很難育成突破性新品種。生物技術(shù)的創(chuàng)新極大地推動(dòng)了現(xiàn)代育種的發(fā)展。隨著分子生物學(xué)、基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和生物技術(shù)的不斷進(jìn)步，多學(xué)科聯(lián)合催生了設(shè)計(jì)育種技術(shù)的革新。2017年生物技術(shù)發(fā)展迅猛，各項(xiàng)技術(shù)得到了空前的發(fā)展，尤其是基因組編輯技術(shù)、單倍體育種、分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)的發(fā)展，正孕育著一場(chǎng)新的育種技術(shù)革命。

1、基因組編輯技術(shù)

基因組編輯是生命科學(xué)新興的顛覆性技術(shù)，特別是基于CRISPR?Cas9系統(tǒng)的基因組編輯工具近幾年迅猛發(fā)展。在過(guò)去的一年里，基因組編輯技術(shù)得到空前發(fā)展。

1）作物基因組單堿基編輯方法的建立

在作物育種中，通過(guò)簡(jiǎn)單的方法將遺傳變異引入到現(xiàn)代優(yōu)異品種中是加速遺傳改良、推進(jìn)育種進(jìn)程的重要手段。在過(guò)去的一年里，不同課題組分別建立了單堿基編輯方法，并在不同作物中進(jìn)行了嘗試。

中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院朱健康課題組在水稻中利用大鼠APOBEC1系統(tǒng)開發(fā)了一種單堿基置換方法。類似于哺乳動(dòng)物“堿基編輯”系統(tǒng)，該研究小組合成了大鼠APOBEC1，并利用非結(jié)構(gòu)化的16殘基肽XTEN作為接頭，將其融合到Cas9(D10A)的N末端。將一種核定位信號(hào)(NLS)肽添加到Cas9(D10A)的C末端。半主動(dòng)式的Cas9可切割非編輯的鏈，并通過(guò)誘導(dǎo)堿基切除修復(fù)，增加堿基編輯的效率。然后，在玉米泛素啟動(dòng)子(UBI)的控制下，這個(gè)APOBEC1?XTEN?Cas9(D10A)融合序列被構(gòu)建成一個(gè)雙運(yùn)載體。研究人員在水稻上對(duì)兩個(gè)重要的基因NRT11B和SLR1進(jìn)行了編輯，數(shù)據(jù)表明，采用這種改進(jìn)的CRISPR/Cas9系統(tǒng)，可以有效地產(chǎn)生穩(wěn)定C→T和C→G(G→A和G→C)替換。同期，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所夏蘭琴研究組與華中農(nóng)業(yè)大學(xué)“千人計(jì)劃”引進(jìn)人才、美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校趙云德教授實(shí)驗(yàn)室合作，也報(bào)道了利用改造后CRISPR/Cas9系統(tǒng)，成功在水稻中實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)基因高效單堿基定點(diǎn)替換。

日本神戶大學(xué)及筑波大學(xué)的三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)借鑒哺乳動(dòng)物單堿基編輯方法，成功在水稻及番茄中建立了Target?AID單堿基定點(diǎn)編輯技術(shù)體系。Target?AID系統(tǒng)由海七鰓鰻胞苷脫氨酶基因PmC?DA1(Petromyzonmarinuscytidinedeaminase)和兩種Cas蛋白變體nCas9(nickaseCRISPR/Cas9)或dCas9(nuclease?deficientCas9)及sgRNAs融合而成。研究人員首先通過(guò)EGFP報(bào)告系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)C至T堿基的替換，dCas9Os?PmCDA1At和nCas9Os?PmCDA1At處理的效率分別為43%和183%;繼而以水稻中的除草劑靶標(biāo)乙酰乳酸合成酶基因(acetolactatesynthase，ALS)作為編輯的目標(biāo)，dCas9Os?PmCDA1At和nCas9Os?PmCDA1At均可創(chuàng)造287位點(diǎn)上C→T的堿基突變(A96V的氨基酸替換)，從而獲得對(duì)除草劑甲氧咪草煙的抗性，效率分別為156%和341%;進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三個(gè)位點(diǎn)(靶向兩個(gè)基因FTIP1e和ALS)的同時(shí)單堿基編輯。該系統(tǒng)在雙子葉植物番茄中也實(shí)現(xiàn)了高效的編輯。研究人員選取與激素信號(hào)相關(guān)的內(nèi)源基因DELLA和ETR，利用未經(jīng)過(guò)密碼子優(yōu)化的PmCDA1載體nCas9At?PmCDA1Hs以及通過(guò)擬南芥密碼子優(yōu)化的PmCDA1載體nCas9At?PmCDA1At均可實(shí)現(xiàn)單堿基編輯并最終獲得了單堿基突變可穩(wěn)定遺傳且marker?free的番茄突變體。另外，在T0代編輯的植物中發(fā)現(xiàn)有部分非預(yù)期的基因片段缺失或插入還有一些C至G突變類型。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞課題組在前期工作基礎(chǔ)上，借鑒哺乳動(dòng)物單堿基編輯方法，利用Cas9變體(nCas9?D10A)融合大鼠胞嘧啶脫氨酶(rAPOBEC1)和尿嘧啶糖基化酶(UGI)，構(gòu)成了高效的植物單堿基編輯系統(tǒng)nCas9?PBE，成功地在三大重要農(nóng)作物(小麥、水稻和玉米)基因組中實(shí)現(xiàn)高效、精確的單堿基定點(diǎn)突變。通過(guò)在原生質(zhì)體中對(duì)報(bào)告基因BFP以及三種作物中五個(gè)內(nèi)源基因七個(gè)位點(diǎn)突變結(jié)果的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)nCas9?PBE可實(shí)現(xiàn)對(duì)靶位點(diǎn)DNA的C至T替換，C堿基脫氨化的窗口覆蓋靶序列的7個(gè)核苷酸(距離PAM遠(yuǎn)端的第3?9位);其中單個(gè)C的替換效率為039?707%，多個(gè)C的替換效率高達(dá)1248%。通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化，利用該體系獲得了靶標(biāo)區(qū)域單堿基替換的小麥、水稻和玉米突變植株，突變效率最高可達(dá)4348%。該技術(shù)無(wú)需在基因組的靶位點(diǎn)產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂(DSB)，也無(wú)需供體DNA的參與，具有簡(jiǎn)單、廣適、高效的特點(diǎn)。nCas9?PBE單堿基編輯系統(tǒng)成功建立和應(yīng)用，為高效和大規(guī)模創(chuàng)制單堿基突變體提供了一個(gè)可靠方案，為作物遺傳改良和新品種培育提供了重要技術(shù)支撐。

這些研究成果不僅豐富了單堿基編輯的技術(shù)手段，而且為現(xiàn)代作物育種提供了前景廣闊的現(xiàn)代育種新方法。

2）基因組編輯效率與精度的改良

如何提高Cas9編輯效率和避免脫靶是目前限制其發(fā)揮巨大潛力的最主要問(wèn)題，提高該系統(tǒng)的效率和特異性一直是基因組編輯方法研究的焦點(diǎn)。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所王克劍課題組和中科院遺傳所李家洋課題組合作，通過(guò)優(yōu)化sgRNA的結(jié)構(gòu)以及使用水稻內(nèi)源性強(qiáng)啟動(dòng)子來(lái)驅(qū)動(dòng)Cas9?VQR變體的表達(dá)，成功將CRISPR?Cas9?VQR系統(tǒng)的編輯效率提高到了原有系統(tǒng)的3到7倍。

中國(guó)科學(xué)院?馬普計(jì)算生物學(xué)研究所楊力研究組與上海科技大學(xué)陳佳研究組、楊貝副研究員開展合作研究，利用共表達(dá)尿嘧啶糖苷酶抑制劑(uracilDNAglycosylaseinhibitor，UGI)的方法，開發(fā)了一種基于堿基編輯器3(baseeditor3，BE3)的增強(qiáng)型堿基編輯器(enhancedbaseeditor，eBE)，實(shí)現(xiàn)了更高準(zhǔn)確度的基因組單堿基編輯。

通過(guò)蛋白質(zhì)工程的方法，美國(guó)兩個(gè)課題組前期分別對(duì)Cas9蛋白進(jìn)行定向改造，獲得了三種特異性顯著提高的Cas9蛋白變體:eSpCas9(10)、eSpCas9(11)和SpCas9?HF1。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究組近期的研究發(fā)現(xiàn)，這三種高保真的SpCas9核酸酶的基因組編輯活性會(huì)嚴(yán)格受到sgRNA向?qū)蛄?guidesequence)長(zhǎng)度的影響。將向?qū)蛄性O(shè)為與靶位點(diǎn)精確匹配的20個(gè)堿基，是確保三種高保真SpCas9核酸酶活性的重要前提。為此，高彩霞研究團(tuán)隊(duì)將水稻tRNAGlu序列融合到U3啟動(dòng)子和sgRNA之間，利用細(xì)胞內(nèi)源的RNaseP和RNaseZ將未成熟的sgRNA中的向?qū)蛄屑庸こ蔀榕c靶序列精確匹配的20個(gè)堿基，通過(guò)這一策略能夠?qū)SpCas9(10)、eSpCas9(11)和SpCas9?HF1的活性保持在與野生型SpCas9相當(dāng)?shù)乃?，并且還保持其特異性。

豐富的遺傳變異和高效的篩選體系是限制作物育種的主要因素?；蚪M編輯技術(shù)開創(chuàng)了作物遺傳改良的新途徑。得益于功能基因組學(xué)的研究成果，基因組編輯技術(shù)已在控制作物質(zhì)量性狀的功能基因改良中得到應(yīng)用。與功能基因豐富的遺傳變異不同，調(diào)控功能基因表達(dá)模式的順式調(diào)控序列的自然變異有限。挖掘和創(chuàng)制順式調(diào)控序列的遺傳變異，不僅有助于闡明數(shù)量性狀的調(diào)控模式，而且對(duì)于作物遺傳改良意義重大。冷泉港實(shí)驗(yàn)室的番茄育種家Lippman研究組通過(guò)系統(tǒng)的試驗(yàn)證實(shí):(1)通過(guò)CRISPR/Cas9靶向順式調(diào)控基序能夠重建人工馴化的數(shù)量性狀位點(diǎn);(2)多重gRNA介導(dǎo)的CRISPR/Cas9對(duì)啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)行編輯能夠創(chuàng)制出新的、連續(xù)的性狀變異;(3)跨代CRISPR/Cas9驅(qū)動(dòng)的遺傳編輯體系能夠高效地篩選和評(píng)價(jià)數(shù)量性狀變異;(4)新創(chuàng)制的順式調(diào)控序列等位變異能夠在非轉(zhuǎn)基因后代中得到固定;(5)順式調(diào)控序列保守區(qū)的變異及其對(duì)轉(zhuǎn)錄的影響不可以通過(guò)表型差異來(lái)預(yù)測(cè)。

利用人工轉(zhuǎn)錄因子同時(shí)激活生物體內(nèi)多個(gè)基因在是一種強(qiáng)大的生物工程和系統(tǒng)生物學(xué)工具。轉(zhuǎn)錄激活子VP64與dCas9融合可以促進(jìn)靶向基因的表達(dá)，但只能較小程度地提高轉(zhuǎn)錄水平。目前報(bào)道的三種基于dCas9技術(shù)的轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)(VPR，SAM和SunTag)在動(dòng)物細(xì)胞中得到很好的應(yīng)用，但在植物中還沒(méi)有一種有效的轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)。中山大學(xué)李劍峰教授研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種植物中的高效的轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)dCas9?TV，與dCas9?VP64相比，dCas9?TV在單基因或者多基因的激活方面都表現(xiàn)的比較強(qiáng)的激活效率，另外研究表明，該系統(tǒng)同樣適用動(dòng)物細(xì)胞。

幾乎同時(shí)，美國(guó)馬里蘭大學(xué)戚益平實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)電子科技大學(xué)張勇實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)了兩套分別基于CRISPR?Cas9和TALE的高效植物轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)。第一套轉(zhuǎn)錄激活體系基于CRISPR?Cas9系統(tǒng)。通過(guò)在擬南芥和水稻中測(cè)試轉(zhuǎn)錄激活的多種策略，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)dCas9和經(jīng)修飾的gRNA支架gRNA20(CRISPR?Act20)同時(shí)富集轉(zhuǎn)錄激活子VP64，要比同實(shí)驗(yàn)室之前在2015年報(bào)道的第一代dCas9?VP64更具轉(zhuǎn)錄激活效應(yīng)。CRISPR?Act20系統(tǒng)成功的在水稻細(xì)胞中進(jìn)行多基因激活，表明該系統(tǒng)在植物基因調(diào)控中具有很好的應(yīng)用前景。第二套的轉(zhuǎn)錄激活體系是一個(gè)多重轉(zhuǎn)錄激活劑樣效應(yīng)物激活mTALE?Act系統(tǒng)，用于植物中多重轉(zhuǎn)錄激活。該系統(tǒng)允許將多達(dá)四個(gè)TALE?VP64基因快速裝配成單個(gè)T?DNA載體，以同時(shí)激活植物中多達(dá)四個(gè)基因。通過(guò)在擬南芥中打靶PAP1，作者證實(shí)mTALE?act要比CRISPR?Act20更有效地激活內(nèi)源基因表達(dá)。因此，這個(gè)mTALE?Act系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)大的轉(zhuǎn)錄激活系統(tǒng)，可同時(shí)上調(diào)植物中的多個(gè)基因。

3）高通量基因組編輯庫(kù)的建立

在植物中，利用CRISPR/Cas9/Cpf1系統(tǒng)進(jìn)行基因編輯的步驟主要包括了特異性靶點(diǎn)的選擇，sgRNA表達(dá)盒的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)化載體的構(gòu)建與轉(zhuǎn)化，以及后續(xù)對(duì)突變體的靶點(diǎn)突變的序列分析。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉耀光研究組對(duì)已經(jīng)開發(fā)的“DSD簡(jiǎn)并序列解碼法”及其在線軟件工具DSDecode進(jìn)行了改良，增加了配套的軟件工具，并對(duì)網(wǎng)站硬件做了全面系統(tǒng)的升級(jí)，推出了一站式服務(wù)的在線基因組編輯工具軟件包?CRISPR?GE(ht?tp://skl.scau.edu.cn/)。該軟件包由一系列功能聯(lián)動(dòng)的多個(gè)子程序構(gòu)成，包括特異性靶點(diǎn)的設(shè)計(jì)(tarDesign)，潛在脫靶位點(diǎn)評(píng)估(offTarget)，構(gòu)建sgRNA表達(dá)盒和擴(kuò)增與測(cè)定靶點(diǎn)序列的引物設(shè)計(jì)(primerDesign)，以及對(duì)目標(biāo)靶點(diǎn)突變的分析(DS?DecodeM)等。這些功能涵蓋了植物基因組編輯實(shí)驗(yàn)中的主要步驟，可以極大地幫助研究人員高效利用CRISPR系統(tǒng)進(jìn)行基因組編輯的設(shè)計(jì)和結(jié)果分析。另外，該軟件包還提供了一個(gè)方便下載參考基因組特定區(qū)間序列的工具(seqDownload)，用戶只需輸入目標(biāo)基因號(hào)或小段標(biāo)記序列，指定要下載的基因(標(biāo)記)上下游序列的長(zhǎng)度，即可下載對(duì)應(yīng)的基因組片段序列。該軟件包還支持對(duì)若干個(gè)動(dòng)物基因組編輯的靶點(diǎn)設(shè)計(jì)和基因組片段序列的下載。

水稻突變體是進(jìn)行水稻功能基因組學(xué)基礎(chǔ)研究和水稻分子設(shè)計(jì)育種的重要材料。常規(guī)的水稻突變體來(lái)源于自發(fā)突變或化學(xué)、物理及生物的誘變，具有很大的隨機(jī)性和局限性，不能滿足大規(guī)模的水稻功能基因組學(xué)研究和水稻分子設(shè)計(jì)育種的需求。利用高效便捷的CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)和高通量的寡核苷酸芯片合成技術(shù)可以大規(guī)模地對(duì)水稻全基因組進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)水稻突變體的高通量構(gòu)建和功能篩選。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋研究組和高彩霞研究組合作，通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)的水稻遺傳轉(zhuǎn)化法，以水稻中花11作為受體材料，對(duì)水稻莖基部和穗部高表達(dá)的12802個(gè)基因進(jìn)行高通量的基因組編輯，獲得了14000余個(gè)獨(dú)立的T0代株系，并對(duì)它們的后代進(jìn)行了部分表型和基因型分析鑒定。同期，百格基因公司研究團(tuán)隊(duì)也公布了他們利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)構(gòu)建水稻突變體庫(kù)的研究進(jìn)展，獲得了84萬(wàn)個(gè)突變植株，隨機(jī)抽取部分轉(zhuǎn)基因植株分析后表明，突變頻率可以達(dá)到80%以上。

這些研究表明，利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)大規(guī)模構(gòu)建水稻突變體庫(kù)并進(jìn)行功能篩選是高效便捷獲得水稻重要突變體和快速克隆對(duì)應(yīng)基因的有效方法，同時(shí)能夠?yàn)樗痉肿釉O(shè)計(jì)育種提供重要的供體材料。

4）育種公司對(duì)基因組編輯技術(shù)的關(guān)注

2017年1月4日，孟山都宣布與哈佛大學(xué)?麻省理工學(xué)院的Broad研究院就新型的CRISPR?Cpf1基因組編輯技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用達(dá)成全球許可協(xié)議。新的CRISPR?Cpf1系統(tǒng)與CRISPR?Cas9系統(tǒng)相比，在針對(duì)性的改善細(xì)胞DNA方面有望變得更加簡(jiǎn)單和精確，是基因編輯技術(shù)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。研究人員認(rèn)為CRISPR?Cpf1系統(tǒng)相較于CRISPR?Cas9，在改善農(nóng)業(yè)產(chǎn)品方面具有更多優(yōu)點(diǎn)，例如編輯方式以及編輯發(fā)生位點(diǎn)更加靈活;CRISPR?Cpf1系統(tǒng)體積更小，能夠更加靈活的運(yùn)用于多種作物。CRISPR?Cpf1系統(tǒng)的專利獨(dú)立于CRISPR?Cas專利，這個(gè)新的系統(tǒng)將為孟山都在基因編輯這個(gè)迅速發(fā)展的科學(xué)領(lǐng)域提供另一個(gè)更有價(jià)值的工具。

2017年7月，Evogene宣布發(fā)現(xiàn)鐮刀菌抗性基因，目前表現(xiàn)最好的一部分基因已在孟山都的玉米產(chǎn)品研發(fā)線上進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，Evogene宣布完成了玉米和大豆產(chǎn)量及非生物脅迫逆境性狀候選基因的篩選，發(fā)現(xiàn)了約4000個(gè)與作物性狀相關(guān)的基因。同年9月，Evogene公司宣布利用基因組編輯技術(shù)改良的抗黑葉斑病香蕉獲得成功。兩年的田間試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該基因編輯香蕉品種能夠提高對(duì)黑葉斑病的抗性，并預(yù)計(jì)于2018年底開展第三年田間試驗(yàn)。

2017年8月16日，孟山都宣布和ToolGen公司就CRISPR技術(shù)平臺(tái)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用達(dá)成全球許可協(xié)議。ToolGen是一家專注于基因編輯的生物技術(shù)公司，是基因編輯研究領(lǐng)域的先驅(qū)。上述許可協(xié)議的簽署，授權(quán)孟山都在植物應(yīng)用領(lǐng)域使用ToolGen全套CRISPR知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)技術(shù)。

2、單倍體育種機(jī)理研究

單倍體誘導(dǎo)也具有巨大的商業(yè)育種價(jià)值，最近幾十年，單倍體育種已經(jīng)廣泛應(yīng)用于玉米育種中，利用單倍體誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體然后加倍產(chǎn)生純合的二倍體，可以大大加快育種進(jìn)程，解析單倍體誘導(dǎo)形成的機(jī)制將有利于進(jìn)一步提高誘導(dǎo)率，助力作物的遺傳改良。

盡管雙受精是開花植物所特有的生殖方式，但現(xiàn)在有越來(lái)越多的植物育種者試圖“繞過(guò)”這一過(guò)程，而是通過(guò)對(duì)誘導(dǎo)的單倍體采用藥劑處理從而產(chǎn)生雙單倍體來(lái)完成開花植物的繁衍。由于產(chǎn)生的雙單倍體自交系能夠直接穩(wěn)定單倍體所攜帶的遺傳變異，從而可以加速育種進(jìn)程。植物組織培養(yǎng)目前已普遍應(yīng)用于作物育種，但以種子生產(chǎn)為目標(biāo)的雙單倍體育種體系還很少有研究以及大規(guī)模成功應(yīng)用。Stock6是玉米中發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)孤雌生殖誘導(dǎo)系，于1956年被首次報(bào)道，并在隨后幾十年的玉米單倍體誘導(dǎo)中廣為應(yīng)用。但有關(guān)玉米Stock6及其衍生系誘導(dǎo)單倍體的分子機(jī)理并不十分清楚。先正達(dá)公司的Kelliher等通過(guò)圖位克隆，基因組重測(cè)序，遺傳互補(bǔ)以及基因編輯等方法，證實(shí)玉米中單倍體誘導(dǎo)是由一個(gè)花粉特異表達(dá)的磷酸酯酶基因MATRILIN?EAL(MTL)移碼突變?cè)斐傻?。通過(guò)基因編輯獲得的mtl突變體可以達(dá)到67%的單倍體誘導(dǎo)率。MTL定位于花粉母細(xì)胞質(zhì)中，并且通過(guò)對(duì)花粉轉(zhuǎn)錄組RNA?seq分析表明，在單倍體誘導(dǎo)過(guò)程中，一系列花粉特異表達(dá)的基因均顯著上調(diào)，這些過(guò)表達(dá)基因很可能部分參與了單倍體種子的形成。該研究成果表明雄配子細(xì)胞質(zhì)成分對(duì)于有性生殖過(guò)程的順利完成以及雄配子所攜帶染色體組在后代中的穩(wěn)定傳遞均起了重要的作用[14]。值得一提的是，2月4日，中國(guó)科學(xué)家(中國(guó)農(nóng)大的陳紹江教授、金危危教授及華中農(nóng)大的嚴(yán)建兵教授團(tuán)隊(duì))聯(lián)合在MolecularPlant上同樣也報(bào)道了該誘導(dǎo)基因(基因命名為ZMPLA1)。鑒于MTL基因在農(nóng)作物中的保守性，這一發(fā)現(xiàn)有助于在其它農(nóng)作物中發(fā)展單倍體誘導(dǎo)體系來(lái)加速育種進(jìn)程。

玉米中存在天然的單倍體誘導(dǎo)系:當(dāng)誘導(dǎo)系與普通玉米材料雜交之后，后代有一定幾率產(chǎn)生僅含有普通玉米材料染色體的單倍體個(gè)體。剖析單倍體誘導(dǎo)過(guò)程對(duì)理解染色體行為及遺傳穩(wěn)定與物種進(jìn)化的關(guān)系有重要價(jià)值。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米團(tuán)隊(duì)嚴(yán)建兵課題組與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)金危危課題組合作利用單核測(cè)序技術(shù)，初步解析了玉米單倍體誘導(dǎo)的機(jī)制。該研究首先利用顯微觀察證明誘導(dǎo)系花粉減數(shù)分裂過(guò)程中染色體行為并無(wú)異常，近而利用單細(xì)胞單核測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)系成熟花粉的精核中存在高頻的染色體片段化，這些結(jié)果表明發(fā)生于花粉有絲分裂時(shí)期的精子染色體片段化是造成受精后染色體消除及單倍體誘導(dǎo)的直接原因。該研究結(jié)果為進(jìn)一步研究單倍體誘導(dǎo)的分子機(jī)制提供理論支持，有利于進(jìn)一步提高誘導(dǎo)率，助力作物的遺傳改良。

3、轉(zhuǎn)基因技術(shù)進(jìn)展

發(fā)展高效、安全的新型遺傳轉(zhuǎn)化方法，一直是基因工程、分子生物學(xué)和遺傳育種等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)植物轉(zhuǎn)基因方法，通常需要比較繁雜的組織培養(yǎng)等植物再生程序，才能獲得轉(zhuǎn)基因植株，尤其像諸如棉花等難再生作物的轉(zhuǎn)基因植物制備更加困難。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)發(fā)所崔海信研究員領(lǐng)銜的“多功能納米材料及農(nóng)業(yè)應(yīng)用”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)同生物所的“作物分子育種技術(shù)”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)合作在納米生物技術(shù)研究方面取得重要突破。合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用磁性納米粒子作為基因載體，創(chuàng)立了一種高通量、操作便捷和用途廣泛的植物遺傳轉(zhuǎn)化新方法。此次研發(fā)的基于磁性納米顆?；蜉d體的花粉磁轉(zhuǎn)化植物遺傳修飾方法，可以利用Fe3O4磁性納米顆粒作為載體，在外加磁場(chǎng)介導(dǎo)下將外源基因輸送至花粉內(nèi)部，通過(guò)人工授粉利用自然生殖過(guò)程直接獲得轉(zhuǎn)化種子，然后再經(jīng)過(guò)選育獲得穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因后代。該方法將納米磁轉(zhuǎn)化和花粉介導(dǎo)法相結(jié)合，克服了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因方法組織再生培養(yǎng)和寄主適應(yīng)性i2等方面的瓶頸問(wèn)題，可以提高遺傳轉(zhuǎn)化效率，縮短轉(zhuǎn)基因植物培育周期，實(shí)現(xiàn)高通量與多基因協(xié)同并轉(zhuǎn)化，適用范圍與用途非常廣泛，對(duì)于加速轉(zhuǎn)基因生物新品種培育具有重要意義，并在作物遺傳學(xué)、合成生物學(xué)和生物反應(yīng)器等領(lǐng)域也具有廣泛應(yīng)用前景[17]。該研究推動(dòng)納米載體基因輸送與遺傳介導(dǎo)系統(tǒng)研究取得了重要進(jìn)展，開辟了納米生物技術(shù)研究的新方向。

2017年6月15日，美環(huán)保署首次批準(zhǔn)了孟山都以RNA干擾技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的一種特殊殺蟲劑?DvSnf7雙鏈RNA(dsRNA)。DvSnf7雙鏈RNA作為殺蟲劑產(chǎn)品將會(huì)添加到SmartStaxPro轉(zhuǎn)基因玉米中，當(dāng)西方玉米根蟲開始取食植物時(shí)，這種植物自己產(chǎn)生的DvSnf7雙鏈RNA能夠干擾玉米根蟲一個(gè)重要的基因，進(jìn)而殺死害蟲。孟山都預(yù)計(jì)這款RNAi轉(zhuǎn)基因玉米將于2020年上市。

4、分子模塊設(shè)計(jì)育種的發(fā)展

不同團(tuán)隊(duì)分別在不同作物上開展了分子模塊設(shè)計(jì)育種的探索，在過(guò)去的一年里，分子設(shè)計(jì)育種取得了較好的進(jìn)展。以中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋團(tuán)隊(duì)為例，與中國(guó)農(nóng)科院水稻所、深圳農(nóng)業(yè)基因組所錢前研究組聯(lián)合，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以超高產(chǎn)但綜合品質(zhì)差的品種“特青”作為受體，以蒸煮和外觀品質(zhì)具有良好特性的品種“日本晴”和“93?11”為供體，對(duì)涉及水稻產(chǎn)量、稻米外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和生態(tài)適應(yīng)性的28個(gè)目標(biāo)基因進(jìn)行優(yōu)化組合，經(jīng)過(guò)8年多的努力，利用雜交、回交與分子標(biāo)記定向選擇等技術(shù)，成功將優(yōu)質(zhì)目標(biāo)基因的優(yōu)異等位聚合到受體材料，并充分保留了“特青”的高產(chǎn)特性。這些優(yōu)異的“品種設(shè)計(jì)”材料，在高產(chǎn)的基礎(chǔ)上，稻米外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)、口感和風(fēng)味等方面均有顯著改良，并且以其配組的雜交稻稻米品質(zhì)也顯著提高。這項(xiàng)研究結(jié)果將極大推動(dòng)作物傳統(tǒng)育種向高效、精準(zhǔn)、定向的分子設(shè)計(jì)育種轉(zhuǎn)變[18]。最近，其研究團(tuán)隊(duì)與浙江省嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)院合作，運(yùn)用“分子模塊設(shè)計(jì)”技術(shù)育成的水稻新品種“嘉優(yōu)中科系列新品種”獲得了豐收，種植嘉優(yōu)中科1號(hào)水稻品種的兩塊田實(shí)收測(cè)產(chǎn)表明，平均畝產(chǎn)分別為913公斤和9095公斤，比當(dāng)?shù)刂髟云贩N畝產(chǎn)增產(chǎn)200公斤以上。

不同復(fù)雜性狀間的耦合是分子設(shè)計(jì)育種的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。作物的產(chǎn)量、品質(zhì)等大都是多基因控制的復(fù)雜性狀，由于受到一因多效和遺傳連鎖累贅的影響，使某些性狀在不同材料和育種后代中協(xié)同變化，呈現(xiàn)耦合性相關(guān)。解析復(fù)雜性狀間耦合的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，明確關(guān)鍵調(diào)控單元，對(duì)分子設(shè)計(jì)育種具有重要意義。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所田志喜研究員聯(lián)合王國(guó)棟研究員、朱保葛研究員、華盛頓州立大學(xué)張志武研究員等多家研究團(tuán)隊(duì)深入解析了大豆84個(gè)農(nóng)藝性狀間的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示了不同性狀間相互耦合的遺傳基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)其中重要節(jié)點(diǎn)基因?qū)Σ煌誀畹男纬善鸬疥P(guān)鍵調(diào)控作用。該研究為大豆的分子設(shè)計(jì)育種提供了重要的理論基礎(chǔ)，對(duì)于提高大豆的品質(zhì)和產(chǎn)量具有非常重要的意義，同時(shí)也為其他作物性狀耦合研究提供了借鑒。

目前，大批水稻、小麥、玉米和大豆分子模塊育種品系正在區(qū)域性生產(chǎn)評(píng)比試驗(yàn)中，對(duì)作物新品種培育起到了重要推動(dòng)作用。

5、大數(shù)據(jù)育種的發(fā)展

大數(shù)據(jù)正快速發(fā)展為發(fā)現(xiàn)新知識(shí)、創(chuàng)造新價(jià)值、提升新能力的新一代信息技術(shù)和服務(wù)業(yè)態(tài)，已成為基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源。各個(gè)國(guó)家和各大育種公司也在大力推進(jìn)大數(shù)據(jù)育種。2017年主要?jiǎng)討B(tài)如下:

NRGene是一家全球領(lǐng)先的基因組大數(shù)據(jù)公司，該公司開發(fā)的GenoMAGICTM平臺(tái)能夠分析海量的基因組數(shù)據(jù)，鑒別出廣泛的序列多態(tài)性和單體型，使基因組選擇和性狀定位更加高效。目前，該軟件被全球多家種子公司以及學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)廣泛采用，大數(shù)據(jù)的加速使用使育種的年限和成本都得到大幅的縮減。

2017年1月5日，先正達(dá)宣布與NRGene進(jìn)一步加強(qiáng)合作，選擇使用基于云計(jì)算的軟件GenoMAGICTM，以加快性狀開發(fā)和作物育種的進(jìn)度。此前，先正達(dá)與NRGene已開展了為期兩年的合作，并對(duì)GenoMAGIC軟件進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估分析了該軟件所帶來(lái)的好處。這次兩家公司開展進(jìn)一步的合作，以期更全面廣泛的評(píng)估GenoMagic在整個(gè)育種過(guò)程的收益。

2017年1月12日，孟山都與NRGene公司就先進(jìn)基因組分析技術(shù)達(dá)成了全球性多年的、非排他專利許可協(xié)議。該合作將有助于孟山都研發(fā)人員從其海量的遺傳學(xué)、基因組和性狀信息數(shù)據(jù)庫(kù)，更好地預(yù)測(cè)、比較并篩選出最佳的遺傳修飾，進(jìn)一步提升孟山都在基因組篩選、性狀發(fā)現(xiàn)以及基因組改造領(lǐng)域的研發(fā)能力。

2017年6月14日，孟山都宣布與Atomwise公司達(dá)成合作，利用Atomwise旗下人工智能技術(shù)AtomNet加速挖掘和開發(fā)新的作物保護(hù)產(chǎn)品。補(bǔ)充了該公司對(duì)作物保護(hù)發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特合作方式。Atomwise公司開創(chuàng)性的AtomNet技術(shù)能夠通過(guò)強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)算法和超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)分析百萬(wàn)個(gè)潛在的作物保護(hù)產(chǎn)品分子，預(yù)測(cè)哪些分子可能對(duì)控制疾病和害蟲產(chǎn)生積極影響，縮短前期研發(fā)時(shí)間。目前，孟山都是農(nóng)業(yè)界首家與Atomwise合作的公司，并計(jì)劃將AtomNet這一人工智能系統(tǒng)與其公司旗下育種、生物技術(shù)、作物保護(hù)、農(nóng)業(yè)生物學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)平臺(tái)幾大業(yè)務(wù)進(jìn)行有效結(jié)合，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，及時(shí)推出能幫助農(nóng)民獲得更高種植收益的新產(chǎn)品。

可以預(yù)見(jiàn)，隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，作物數(shù)量遺傳學(xué)、全基因組關(guān)聯(lián)分析、作物基因組編輯技術(shù)將不斷突破和改進(jìn)，通過(guò)定點(diǎn)編輯、定點(diǎn)修飾順式調(diào)控序列、定點(diǎn)激活基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)量性狀的精準(zhǔn)操控，必將引領(lǐng)新一輪的育種技術(shù)革命。

6、未來(lái)育種技術(shù)發(fā)展

性狀的形成同時(shí)受到基因型和環(huán)境的影響。即使生物體本身也是一個(gè)復(fù)雜的整體，是多模塊互作的系統(tǒng)。涉及多尺度、多過(guò)程、多層次的調(diào)控。復(fù)雜性狀多維控制是育種的巨大挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)、人工智能和基因組編輯技術(shù)的發(fā)展為未來(lái)育種帶來(lái)機(jī)遇，一些顛覆性的技術(shù)也正在孕育。未來(lái)育種技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該會(huì)向精準(zhǔn)、高效、智能方向發(fā)展。

來(lái)源：植物遺傳資源學(xué)報(bào) 2018，19(3)

作者：梁翰文 呂慧穎 葛毅強(qiáng) 魏珣 鄧向東 楊維才 田志喜