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，通過簡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(NLS)肽添加到Cas9(D10A)的C末端。半主動式的Cas9可切割非編輯的鏈，并通過誘導(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)通過借鑒哺乳動物單堿基編輯方法，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相關(guān)的內(nèi)源基因DELLA和ETR，利用未經(jīng)過密碼子優(yōu)化的PmCDA1載體nCas9At?PmCDA1Hs以及通過擬南芥密碼子優(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。通過在原生質(zhì)體中對報(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)無需在基因組的靶位點(diǎn)產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂(DSB)，也無需供體DNA的參與，具有簡單、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，通過優(yōu)化sgRNA的結(jié)構(gòu)以及使用水稻內(nèi)源性強(qiáng)啟動子來驅(qū)動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。

通過蛋白質(zhì)工程的方法，美國兩個(gè)課題組前期分別對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嚴(yán)格受到sgRNA向?qū)蛄?guidesequence)長度的影響。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研究組通過系統(tǒng)的試驗(yàn)證實(shí):(1)通過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對啟動子區(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)動的遺傳編輯體系能夠高效地篩選和評價(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)的變異及其對轉(zhuǎn)錄的影響不可以通過表型差異來預(yù)測。

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)在動物細(xì)胞中得到很好的應(yīng)用，但在植物中還沒有一種有效的轉(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)同樣適用動物細(xì)胞。

幾乎同時(shí)，美國馬里蘭大學(xué)戚益平實(shí)驗(yàn)室和中國電子科技大學(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)。通過在擬南芥和水稻中測試轉(zhuǎn)錄激活的多種策略，研究發(fā)現(xiàn)通過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)院劉耀光研究組對已經(jīng)開發(fā)的“DSD簡并序列解碼法”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，并對網(wǎng)站硬件做了全面系統(tǒng)的升級，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)評估(offTarget)，構(gòu)建sgRNA表達(dá)盒和擴(kuò)增與測定靶點(diǎn)序列的引物設(shè)計(jì)(primerDesign)，以及對目標(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)上下游序列的長度，即可下載對應(yīng)的基因組片段序列。該軟件包還支持對若干個(gè)動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)建水稻突變體庫的研究進(jìn)展，獲得了84萬個(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，在針對性的改善細(xì)胞DNA方面有望變得更加簡單和精確，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)在有越來越多的植物育種者試圖“繞過”這一過程，而是通過對誘導(dǎo)的單倍體采用藥劑處理從而產(chǎn)生雙單倍體來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等通過圖位克隆，基因組重測序，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)移碼突變造成的。通過基因編輯獲得的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，并且通過對花粉轉(zhuǎn)錄組RNA?seq分析表明，在單倍體誘導(dǎo)過程中，一系列花粉特異表達(dá)的基因均顯著上調(diào)，這些過表達(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)成分對于有性生殖過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，中國科學(xué)家(中國農(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)過程對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)建兵課題組與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)金危危課題組合作利用單核測序技術(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)分裂過程中染色體行為并無異常，近而利用單細(xì)胞單核測序技術(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，在外加磁場介導(dǎo)下將外源基因輸送至花粉內(nèi)部，通過人工授粉利用自然生殖過程直接獲得轉(zhuǎn)化種子，然后再經(jīng)過選育獲得穩(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號水稻品種的兩塊田實(shí)收測產(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，對分子設(shè)計(jì)育種具有重要意義。中國科學(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)評比試驗(yàn)中，對作物新品種培育起到了重要推動作用。

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、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GenoMAGIC軟件進(jìn)行測試，評估分析了該軟件所帶來的好處。這次兩家公司開展進(jìn)一步的合作，以期更全面廣泛的評估GenoMagic在整個(gè)育種過程的收益。

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，更好地預(yù)測、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)能夠通過強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)算法和超級計(jì)算機(jī)來分析百萬個(gè)潛在的作物保護(hù)產(chǎn)品分子，預(yù)測哪些分子可能對控制疾病和害蟲產(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，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)展為未來育種帶來機(jī)遇，一些顛覆性的技術(shù)也正在孕育。未來育種技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該會向精準(zhǔn)、高效、智能方向發(fā)展。

來源：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