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    透過芯片看基因——走進(jìn)中國種子生命科學(xué)技術(shù)中心

       日期:2015-11-02     來源:聚農(nóng)網(wǎng)    作者:jn720_zx    瀏覽:9195    評論:0    
      近日,中國種子集團(tuán)有限公司生命科學(xué)技術(shù)中心通過了企業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室評定。早有耳聞,以生物信息為依據(jù),以高通量分子標(biāo)記篩選為手段,分段式工廠化流水線的生物育種技術(shù)——基因組育種是該中心的“王牌”,而這項(xiàng)技術(shù)的核心之一竟是一塊小小的芯片。本期《前沿》帶您走進(jìn)中國種子生命科學(xué)技術(shù)中心,探尋其中的奧秘。

    育種芯片——篩選優(yōu)化基因

    每一張育種芯片都比一塊電腦內(nèi)存條還要小,8厘米長,2.5厘米寬,厚度不到0.2厘米。芯片的一端貼著一塊帶編號的條碼,在貼條碼的一面上,隱約可以看到兩排每排12個(gè)泛著光的長方形“小方塊”,每個(gè)“小方塊”的大小不到0.1平方厘米。“每一個(gè)‘小方塊’就對應(yīng)著一個(gè)被檢測樣品,一塊芯片可以同時(shí)檢測24個(gè)樣品。”中國種子生命科學(xué)技術(shù)中心基因組育種部邱樹青拿起一張育種芯片說,“針對每一個(gè)樣品,每次可以檢測近7萬個(gè)高質(zhì)量基因標(biāo)記位點(diǎn)。”

    2000年人類基因組測序完成標(biāo)志著人類生物技術(shù)研究邁進(jìn)基因時(shí)代,2005年在植物領(lǐng)域,水稻全基因組測序也隨即完成,這為科學(xué)家研究生物性狀奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。“以前,傳統(tǒng)育種是根據(jù)田間植物形態(tài)和農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)來篩選親本,將高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的親本和抗病抗蟲的親本進(jìn)行雜交,在后代中通過大群體多年多地點(diǎn)篩選性狀表現(xiàn)好的植株,不斷繁殖鑒定,培育出高產(chǎn)抗病蟲的品種。這種篩選依靠植物的田間表現(xiàn)和育種家的經(jīng)驗(yàn),需要世代累積才能尋求最佳植株,工作強(qiáng)度大,非常辛苦。育種家只觀察植株各個(gè)性狀的表現(xiàn),不知道性狀是由什么基因控制的,傳統(tǒng)篩選方法的效率和可靠性都有待進(jìn)一步提升。”基因組育種部總監(jiān)周發(fā)松告訴記者,“通過育種芯片可以了解影響各個(gè)性狀的基因,從而進(jìn)行精準(zhǔn)篩選和性狀優(yōu)化。如果能篩選出最好的基因組合,就為培育出理想的品種組合創(chuàng)造了技術(shù)條件。”

    傳統(tǒng)育種手段里,育種家通過觀察和經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測作物帶有的不同基因,而隨著基因技術(shù)的發(fā)展和育種芯片的不斷完善,基因的神秘面紗正在被揭開,育種家們也迎來了基因育種的新時(shí)代。通過科學(xué)手段去了解鑒定各個(gè)親本資源所攜帶的優(yōu)良基因,將最優(yōu)良的基因組合在一起,培育出最理想的作物新品種,成為了整個(gè)中心共同努力的目標(biāo)。

    以往育種家根據(jù)作物的田間表現(xiàn)進(jìn)行判斷,能觀察到的性狀很有限,而且并不是所有的性狀都能觀察得到。“以水稻為例,田間能觀察到的性狀只有20多個(gè),而水稻有3萬多個(gè)主要基因和6萬多個(gè)可能的基因,傳統(tǒng)育種手段觀察到的只是冰山一角。”周發(fā)松說,“育種芯片的作用就是把科學(xué)家對功能基因組的研究成果轉(zhuǎn)換成育種工具。”

    分子標(biāo)記篩選——一次檢測成百上千指標(biāo)

    談到育種芯片的作用,邱樹青這樣比喻:就像做抽血化驗(yàn),以前抽一次血只能檢測一兩個(gè)指標(biāo),而如今化驗(yàn)一次可以檢測成百上千個(gè)指標(biāo)。育種芯片通過高通量分子標(biāo)記篩選技術(shù)極大地加快了育種中個(gè)體植株性狀的檢測速度,傳統(tǒng)育種方式就像中醫(yī)一樣,通過“望聞問切”等方式查看和篩選植株,而育種芯片可以通過基因檢測,從大量后代中迅速找出優(yōu)秀植株,從而縮短育種時(shí)間。

    “育種芯片是檢測工具,幫助育種家快速排除95%以上的非目標(biāo)單株,節(jié)約了資源,提高了效率。這樣培育一個(gè)新品種只需要3至5年的時(shí)間。”基因組育種部喻輝輝說,“與傳統(tǒng)育種方式一樣,雜交回交等產(chǎn)生新后代的方法還是不變的。”

    通過育種芯片的檢測,可以對種質(zhì)資源進(jìn)行快速分析和篩選,從而得到具有高產(chǎn)、抗病、高肥效、優(yōu)質(zhì)等基因的不同種質(zhì)資源。通過對種質(zhì)資源的綜合分析和考量后,可以篩選出具有多數(shù)優(yōu)良基因的資源材料做親本。選出親本后的下一步就是雜交,通過育種芯片,科學(xué)家可以選定雜交后代中帶有更多優(yōu)良基因的植株。由于育種芯片檢測的對象是基因,所以雜交后代不需要等待植株經(jīng)過漫長的生長階段,在種子上或者幼苗的葉子上取點(diǎn)樣品,就能進(jìn)行基因檢測了。這樣一來可以提前至少半年時(shí)間,更重要的是極大地提高了檢測效率。

    人無完人,品種里也沒有十全十美的品種,而木桶效應(yīng)在育種上表現(xiàn)得格外明顯。產(chǎn)量高、品質(zhì)好的品種,卻因?yàn)閷σ环N病害或一種蟲害缺乏抵抗力而出現(xiàn)減產(chǎn)或絕收的情況時(shí)有發(fā)生;產(chǎn)量不高卻對某一病害或蟲害有著得天獨(dú)厚抵抗力的品種也是“大有人在”。全基因組育種芯片讓只改變單一性狀的精準(zhǔn)育種成為可能,育種家們可以精心打磨已經(jīng)育成的品種,力爭早日培育出多抗、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高肥效、重金屬低吸附的資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色超級作物新品種。

    從種質(zhì)資源篩選到新品種選育,從品種特性檢測到品種真實(shí)性檢測,基因這張“身份證”一直伴隨著每一粒種子、每一棵植株,有了育種芯片,就可以迅速“認(rèn)出”每一粒水稻。

    流水線育種——實(shí)現(xiàn)專業(yè)化分工

    有人曾做過這樣一個(gè)比喻:從事農(nóng)作物育種研究的有兩種人,一種叫漢子,另一種叫女漢子。面朝黃土背朝天,南繁北育如飛雁,恰是育種工作者們生活的真實(shí)寫照。走在中心的大樓里,看到在辦公室里電腦前的、實(shí)驗(yàn)室操作臺前的忙碌著的工作人員們,絲毫看不到他們身上的“鄉(xiāng)土氣息”,這里沒有皮膚黝黑、臉上帶著兩片“高原紅”的莊稼漢更沒有女漢子。

    “分段式育種流水線的建立,把整個(gè)育種過程分成了多個(gè)環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化分工。”周發(fā)松說,“每個(gè)工作人員只需要專注于自己擅長的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié),不像傳統(tǒng)育種方式那樣,育種家必須掌握和參與所有的育種技術(shù)環(huán)節(jié),更不用整年風(fēng)吹日曬。”以往由于從事育種工作需要長期在田間風(fēng)吹日曬雨淋,所以女性工作者很少,如今的基因組育種,大部分工作都是在實(shí)驗(yàn)室和溫室內(nèi)完成,這讓作物育種這個(gè)領(lǐng)域不再“陽盛陰衰”。

    周發(fā)松把以往的育種家比喻為畫家,繪畫作品創(chuàng)作到一半時(shí)別人是很難繼續(xù)完成的,風(fēng)格也很難保持一致;而如今商業(yè)化育種體系下,分段式流水線育種上的工作人員更像是工廠里制造不同元件的工匠。傳統(tǒng)育種手段下,育種家們?nèi)諒?fù)一日、年復(fù)一年的積累經(jīng)驗(yàn)和育種材料,以師傅帶徒弟的方式組建團(tuán)隊(duì),難以形成規(guī)模,也沒有條件構(gòu)建現(xiàn)代化的生物技術(shù)平臺,整合利用多學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果。而且,單個(gè)育種家的調(diào)動(dòng)或離開會對整個(gè)團(tuán)隊(duì)乃至團(tuán)隊(duì)所在的企業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

    育種芯片的出現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了分段式流水線育種體系的建立,育種工作者也從此進(jìn)入專業(yè)化分工時(shí)代,不再需要擔(dān)心單個(gè)工作人員的變動(dòng),各個(gè)環(huán)節(jié)的成果更是可以分享和共享的。每個(gè)育種家都可以竭盡全力專注于自己最擅長的那部分,為新品種培育不斷提供優(yōu)質(zhì)的中間材料。

    “育種方案制定、種質(zhì)資源收集、親本配組、全基因組與分子標(biāo)記輔助選擇、優(yōu)系測配篩選、產(chǎn)品測試等等,都是商業(yè)化育種鏈條中的一個(gè)環(huán)節(jié),品種是這一過程的唯一出口,這樣一來各個(gè)環(huán)節(jié)所在的各個(gè)部門就可以借助信息系統(tǒng)有機(jī)的協(xié)調(diào)起來。”資源管理部總監(jiān)彭俊華說,“從商業(yè)管理的角度而言,做種質(zhì)資源的人、做基因組測序的人和做田間試驗(yàn)的人不涉足新品種培育,育種工作只由育種家來統(tǒng)籌,一定要分工明確,權(quán)責(zé)清晰。這些都是不同的手段或支撐平臺,各司其職通力協(xié)作才能高效培育出好品種。”

    脅迫環(huán)境——模擬病蟲害發(fā)生

    中國種子生命科學(xué)技術(shù)中心二樓的一個(gè)培養(yǎng)室內(nèi),一位名叫陳美娟的工作人員正在查看罩在塑料膜里的一盆水稻,在她身旁恒溫箱里擺放著一盒盒長滿真菌的培養(yǎng)皿。這名工作人員正在查看記錄感染稻瘟病水稻的生長情況。在距實(shí)驗(yàn)樓不遠(yuǎn)的空地上,立著一座座溫室大棚,其中一個(gè)栽培池里所種的水稻卻都長得不好,除了幾株依然“堅(jiān)挺”的水稻外,其余已經(jīng)被蟲子蛀得枯黃。

    “這些水稻正在進(jìn)行抗稻飛虱試驗(yàn)。”邱樹青向記者解釋道,“育種芯片檢測后,還要進(jìn)行大田模擬,讓定向培育的抗稻飛虱水稻生長在有大量稻飛虱的環(huán)境中,進(jìn)一步驗(yàn)證水稻的抗蟲效果。在抗病鑒定溫室理,工作人員給抗稻瘟病的水稻接種稻瘟病菌,進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)良植株的抗稻瘟病效果。”雖然育種芯片可以快速篩選優(yōu)良的基因型植株,但實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),只有經(jīng)得起性狀表型考驗(yàn)的植株才是真正有育種價(jià)值的植株。

    我國地域遼闊,物種豐富、生態(tài)環(huán)境多樣,同一個(gè)水稻品種在不同地區(qū)種植所遇到的病蟲害不盡相同,而即便是同一種病害,在不同地區(qū)的表現(xiàn)和誘因也有很大差異。“實(shí)驗(yàn)樓二層恒溫箱的每一個(gè)培養(yǎng)皿里,都是不同的稻瘟病生理小種。”邱樹青告訴記者,“不同地區(qū)的稻瘟病需要不同的基因來抵抗,此外,我們預(yù)防的病蟲害也是在不斷進(jìn)化的,每年種植的作物品種都要夠經(jīng)受新的病蟲害考驗(yàn)。”

    育種家們一直在利用育種技術(shù)與病蟲害進(jìn)行著“賽跑”,這一個(gè)個(gè)脅迫環(huán)境下的栽培池、培養(yǎng)箱成為了新品種與病蟲害針鋒相對的戰(zhàn)場,“模擬軍演”在這里打響。
     
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