七大生物育种技术

文/乔勇进



2022年5月10日,国家发展和改革委员会印发《“十四五”生物经济发展规划》。该规划指出:在尊重科学、严格监管、依法依规、确保安全的前提下,有序推动生物育种等领域产业化应用,保障粮食、肉蛋奶、油料等重要农产品供给。
生物育种是利用遗传学、细胞生物学、分子生物学等学科的研究成果,培育优良生物新品种的技术。生物育种可为人类创造更多、更优、更安全的生物新种质资源,已经成为国际社会增强农业产业核心竞争力的重大战略选择,是世界各国竞争的焦点。
国内外生物育种发展很快,新方法、新技术不断出现,目前国内外生物育种技术主要有7种:杂交育种、诱变育种、单倍体育种、多倍体育种、细胞工程育种、基因工程育种和植物激素育种。

1 杂交育种
说起杂交育种,我们首先会想到杂交水稻。中国是世界上第一个成功研发和推广杂交水稻的国家。2019年10月21日至22日,袁隆平院士领衔研发的第三代杂交水稻在湖南省衡阳市衡南县清竹村进行首次公开测试,产量达到1046.3千克/亩(1亩=666.7平方米)。
杂交育种是一种十分常用的生物育种方法,杂交育种是指利用具有不同基因组成的同种(或不同种)生物个体进行杂交,获得所需要的表现型类型的育种方法。通俗地讲,杂交育种就是通过杂交,将两个个体的优点集中到一个个体上,从而实现“强强联合”。
杂交育种是通过杂交技术实现生物个体的基因重组,并分离出优良性状,或使各种优良性状集中在一起。但杂交育种也是有条件的,首先用具有相对性状的纯合体作亲本杂交获得子一代,子一代自交获得子二代,再从子二代中选择符合要求的表现型个体。如果需要的表现型是隐性性状,育种就结束了。如果需要的表现型是显性性状,则用子二代中选出的个体再进行连续自交,直至获得能稳定遗传的类型为止。
总之,杂交育种就是将两个个体的优良基因放在一起去组合,组合好了,性状表现稳定了,育种就成功了。这听起来似乎很简单,但杂交育种是很费时费事的过程,无论是寻找优良可用的亲本,还是不断杂交过程中的筛选都是很烦琐的。
杂交育种的优点是可定向培养需要的品种,因为要选择的性状很明显;它的操作也比较简单,总体过程容易学习和掌握。但是,杂交育种也有不少缺点,比如周期长,不能产生新性状,工作量大,等等。因此,“中国杂交水稻之父”袁隆平院士的成功是十分不容易的,是多年坚持不懈的结果。
目前,杂交育种仍然是农作物育种的主要方法。科学家培育的这些杂交品种在农业发展中发挥了巨大作用。以水稻为例,如果水稻高秆(D)对矮秆(d)为显性性状,抗稻瘟病(R)对易染稻瘟病(r)为显性性状,而且两对性状独立遗传,那么可通过杂交育种的方法来培育矮秆抗稻瘟病的水稻。其具体操作流程为:(1)让纯种的高秆抗稻瘟病和矮秆易染稻瘟病水稻杂交得子一代;(2)让子一代自交得到子二代;(3)让子二代中的矮秆抗稻瘟病水稻自交得到子三代;(4)留子三代中未出现性状分离的矮秆抗稻瘟病个体;(5)若子三代的所有个体都出现性状分离的现象,再重复步骤(3)和(4),直到获得稳定的矮秆抗稻瘟病的水稻新品种为止。

2诱变育种
目前太空育种比较活跃,科学家已经培育出太空椒、太空南瓜、太空小麦等农作物。航天育种在本质上是诱变育种的一种,它是利用返回式航天器和高空气球等所能达到的空间环境中的离子辐射和微重力效应,诱导种子或其他组织产生变异,返回地面进行培养后,再进行新种质、新材料筛选,进行育种的新技术。
诱变育种是指利用人工诱变的方法获得生物新品种的育种方法。人工诱变可让生物在细胞分裂间期DNA复制时发生差错,从而引起基因突变。科学家从变异群体中选择符合人们某种要求的个体,就可培育出新的生物品种。
从前面表述可以看出,诱变育种所选择的方法很重要。这些方法主要包括:(1)物理方法,如用X射线、γ射线、紫外线、中子、等离子体、激光、电离辐射等诱导生物体产生变异;(2)化学方法,如用碱基类似物、硫酸二乙酯、亚硝酸、秋水仙素等诱导生物体产生变异。此外,诱变育种要注意选择合适的材料和时机,所处理的生物材料必须是正在进行细胞分裂的细胞、组织、器官或生物;处理的时期是细胞分裂的间期,比如有丝分裂间期、减数分裂第一次分裂间期。
诱变育种有很多优点:变异范围广,可大幅度改良某些性状;变异频率高,可快速培育出我们需要的新品种。诱变育种也有不少缺点:变异的方向和性质尚难控制,有益突变频率较低,有很多变异是“负”变异;具有很大的盲目性,需要处理的材料数量大,难以集中多个理想性状。总的来说,诱变育种不一定能遂人愿,但有时会有意外惊喜。

3 单倍体育种
2021年11月,中国农业科学院生物技术研究所作物高光效功能基因组团队借助基因编辑技术成功实现蒺藜苜蓿体内单倍体诱导,为豆科牧草及豆科作物单倍体育种体系的建立提供了新路径。类似这样的研究还有很多,这些研究成果使得我国在单倍体育种领域处于世界领先地位。我国还是最早应用单倍体育种法的国家,目前已育成了烟草、水稻、小麦等作物的优良品种。
单倍体是体细胞中只含有一套染色体的个体。单倍体育种是利用花药离体培养技术获得单倍体植株,再诱导其染色体加倍,从而获得所需要的纯系植株的育种方法。单倍体育种的主要过程是:选择亲本进行有性杂交获得第一代,利用第一代产生的花粉离体培养获得单倍体植株,再诱导这些植株的染色体加倍而获得可育纯合子,从中就可选择我们所需要的品种。
以矮秆抗锈病小麦育种为例,需要通过以下过程完成单倍体育种:让纯种的高秆抗锈病和矮秆易染锈病小麦杂交得子一代;取子一代的花药离体培养得到单倍体;用秋水仙素处理单倍体幼苗,使染色体加倍,选取具有矮秆抗锈病性状的个体即可获得所需品种。
单倍体育种的优点是可缩短育种年限,加速育种进程,通过此技术可得到纯合子植株,因此可保持后代性状的稳定性。单倍体育种的缺点是技术比较复杂,而且成本高,需与杂交育种结合;其中的花药离体培养过程需要组织培养技术手段的支持,目前应用多限于植物。

4多倍体育种
每年夏天,西瓜是我们最爱吃的瓜果之一。我们知道,西瓜原来都是有籽(种子)的。对于不少消费者来说,吃西瓜要不断吐籽是一种“甜蜜的小烦恼”,因此科学家采用了多倍体育种技术,培育出无籽西瓜。
多倍体是指由受精卵发育而来,且体细胞中含有三个或三个以上染色体组的个体。多倍体育种利用人工诱变或自然变异等,通过细胞染色体组加倍获得多倍体育种材料,用以选育符合人们需要的优良品种。目前,多倍体育种采用的人工诱变方法主要是通过秋水仙素处理萌发的种子或幼苗。
我们以无籽西瓜为例,来看看多倍体育种的过程:(1)采用秋水仙素人工诱导普通西瓜种子和幼苗形成多倍体;(2)精心栽培管理幼苗,提高其生长速度;(3)用四倍体西瓜作母本授以二倍体的花粉粒结出三倍体的西瓜种子;(4)选择优质、大小一致、饱满的二倍体和三倍体西瓜种子,催芽播种;(5)将二倍体的花粉放到三倍体植株的雌花上,结果雌花的胚珠不能发育成种子,这样培育出来的西瓜就是无籽西瓜。
多倍体诱导是培育植物新品种的重要方法,应用于农作物、林木和观赏植物新品种培育。过去20年来,多倍体新品种得到推广。多倍体育种的最大优势是可培育出自然界中没有的新品种,且培育出的新品种具有很多性状优势,如茎秆粗壮、果实大、产量高、营养丰富等。不过,目前多倍体育种的应用领域还有些窄,而且新品种的结实率偏低。

5 细胞工程育种
细胞工程育种是大家听到的比较多的,如植物克隆(组织培养)和动物克隆。1996年7月5日,英国科学家伊恩·威尔穆特博士成功克隆出世界第一只克隆羊。后来,科学家又培育出克隆牛、克隆猪等。
细胞工程是应用细胞生物学和分子生物学的方法,通过类似于工程学的步骤在细胞整体水平或细胞器水平上,遵循细胞的遗传和生理活动规律,有目的地制造细胞产品的一门生物技术。
细胞工程育种的优点是能克服远缘杂交的不亲和性,有目的地培养优良品种。动物细胞克隆可用于保存濒危物种、保持优良品种,还可利用克隆动物相同的基因背景进行生物医学研究。细胞工程育种的缺点是技术复杂、难度大。该技术还对生物多样性提出挑战,因为有性繁殖是形成生物多样性的基础,而克隆动物会导致生物品系减少,个体生存能力下降。

6 基因工程育种
随着 DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点地呈现在人们眼前,特别是当人们了解到遗传密码是由 RNA转录表达的以后,生物学家不再仅仅满足于探索、揭示生物遗传的秘密,而是开始跃跃欲试,设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性,基因工程育种应运而生。
基因工程指按人们意愿设计,通过改造基因或基因组来改变生物的遗传特性。比如:用重组DNA技术,将外源基因转入大肠杆菌中表达,使大肠杆菌能够生产人所需要的产品;将外源基因转入动物,构建具有新遗传特性的转基因动物;用基因敲除手段,获得有遗传缺陷的动物等。基因工程育种的优点是育种周期短,不受种属限制,可根据人类的需要有目的地进行。基因工程育种的缺点是技术难度大,而且可能会引起生态危机。
培育抗虫农作物就是基因工程育种的重要成果之一。蚜虫是危害小麦的主要害虫之一。蚜虫在取食时分泌一种会降低叶片的光合作用效率的黏液,其刺吸式口器刺入叶片时也会产生伤口,传播多种病毒。长期以来,我国主要靠喷施杀虫剂来防治,在杀死蚜虫的同时,杀虫剂也会消灭蚜虫的天敌,破坏生态环境。河北大学朱宝成教授领导的“抗虫转基因小麦”课题组,将一种抗虫基因导入小麦细胞,得到抗蚜虫的小麦品种。实验表明,这种转基因小麦使植株上的蚜虫减少了70%以上。

7植物激素育种
很多人一听到“激素”就比较反感, 其实人们在农业生产上使用的激素基本上是内源激素,也就是植物自身也产生这些激素。当前农业领域应用较多的包括赤霉素、脱落酸、乙烯、细胞分裂素、生长素(吲哚乙酸)。
植物激素育种是用适宜浓度的生长素促进果实的发育,它并不会导致植物的基因型的改变,所以这种变异类型是不遗传的。其主要方法是在未受粉的雌蕊柱头上涂上一定浓度的生长素类似物溶液,子房就可以发育成无籽果实,如无籽葡萄。
植物激素育种的优点是通过生长素促进果实的发育,所以该种变异类型的环境安全性较高。其缺点是应用领域不大,只适用于培育供人们食用果实的植物。

生物育种的三次飞跃
自20世纪以来,生物育种技术已经经历了三次大的飞跃,每次飞跃均与我们的生活密切相关。
第一次飞跃开始于20世纪50年代,那时出现了“高秆变矮秆”的“第一次绿色革命”。科学家通过农作物的矮化育种,降低植株的高度,让植株在比较矮的时候就进入开花结果的阶段,可以使植株把更多的营养用在结种上,提升了农作物的丰产潜力和抗倒伏能力,减少了农作物在生长阶段营养物质的损耗,稳产和高产性能得到很大提升。
第二次飞跃开始于20世纪70年代,那时兴起了杂交水稻育种技术。袁隆平院士是这一技术的主要贡献者:他首创的籼型杂交水稻于1973年实现“三系”配套;他独创的两系法杂交水稻于1995年研究成功,产量进一步提高,且米质显著提升。
第三次飞跃开始于20世纪90年代,那时出现的基因工程育种将生物育种推向新的高度。科学家进一步挖掘提升了农作物的高产、多抗高抗、高营养等性状,培育出不少新品种。
(本文作者乔勇进为上海市农业科学院研究员。)

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