为什么说分子标记辅助育种还不够?

2015-07-30 | 作者: 林啸 | 标签: 分子标记辅助育种

背景:绿色和平组织是一个国际的非政府组织(NGO),其环境行动以激进著称。在对待转基因问题上,绿色和平的态度是转基因食品长期安全性未知,会通过基因漂移影响其他生物或者对环境造成影响,所以不应该以任何形式释放到自然中。

同时,绿色和平认为在不使用转基因技术的情况下,生态农业以及分子标记辅助育种是未来农业的解决方案,它还为此专门发布报告“Smart Breeding”,见 http://www.greenpeace.org/eu-unit/en/Publications/2014/Smart-breeding-The-next-generation/。

本文要阐述什么是分子标记育种,为什么分子标记辅助育种还不够,以及为什么下一代植物育种技术也同样重要。

什么是分子标记辅助育种(Marker assisted selection, MAS)

现在以土豆为例(图1)。假设我们想培育一个抗土豆晚疫病的新品种,但问题是土豆晚疫病的抗性(好性状)和一些不好的性状(如高毒素含量或容易变黑)很容易一起传递到后代中。传统的育种方法是,将有抗性的野生土豆和栽培土豆杂交,我们就要从杂交的后代里筛选出抗晚疫病,同时毒素含量较低并且不容易变黑的土豆进行下一轮杂交。但是通过这种方法,我们需要进行十年甚至几十年的努力才能得到我们需要的品种。而当我们花了二十年终于得到了这个抗病品种的时候,很可能这个抗病能力已经被病原克服(即抗病基因失效)了。

对于分子育种家,我们知道了土豆的基因组序列,一共有12条染色体,图中蓝色的方块就代表这些分子标记,红色代表我们需要的晚疫病抗性基因,灰色方块代表和抗性基因距离很近的“不好的”基因,我们的育种目标是只保留抗病基因,而避免高毒素或者容易变黑等不好的性状。我们现在有了分子标记,不需要再像传统育种项目那样进行大规模的表型测试,只需要提取杂交后代的DNA, 然后利用已有的分子标记对这些材料进行基因型筛选就好。如果把基因组想成一副地图,那么分子标记就是基因组的“路标”,有了这些“路标”我们就能知道“具体建筑”(基因)的位置。

我们需要保留红色的“晚疫病抗性基因”,但同时要去掉茄碱和褐化基因,我们要做的就是寻找带有标记1和标记2,同时不带有标记3和标记4的个体。当然,受限于群体数量,我们还是要反复进行几轮回交从而筛选掉大部分野生型的基因组。

所以有了分子标记这个工具,可以大大加速植物育种,同时让育种项目的目标和结果都变得更加容易掌控。

分子标记育种的不足

这个世界没有完美的技术,分子标记育种也是一样,尽管它可以加快植物育种的速度,但是我们先来问问如下几个问题:

1,分子标记从哪儿来?如果需要进行分子标记育种,我们首先要获得分子标记的连锁图谱,这个任务的工作量巨大,需要大量的时间和经费去开发这些分子标记,在某些作物里也许可以找到部分公开的资源,但是更多的信息掌握在公司手里,如果想用需要拿钱来买。



2,如果我们想要的性状来自不可杂交的材料里怎么办?野生土豆和栽培土豆(Solanum tuberosum),并不是同一物种,但是一些品种仍旧可以通过各种方式与栽培土豆进行种间杂交从而丰富土豆的基因库。但是仍旧有一些物种无法和栽培土豆进行杂交。这时候就算我们有再多的分子标记信息,也无法使用。(作者注:野生土豆说是不同物种(species)应该没问题, 和品种(variety)不太一样,他们都是茄属的但是拉丁名都和栽培土豆不同,比如栽培土豆是Solaum tuberosum,一种野生土豆Solanum commersonii, 栽培番茄Solanum lycopersicum ,茄子Solanum melongena。)



3,如果我们需要的性状来自动物,细菌,或病毒?这时候分子标记育种就完全无计可施了。尽管人类在寻找和收集各种野生材料,从而丰富基因库的多样性,但是有时候这还不够,比如木瓜曾一度被番木瓜环斑病毒(PRSV)搞得快要灭绝,幸亏有科学家将这种病毒的一个基因转入木瓜,才让木瓜不至于灭绝。

植物育种家的工具箱

综上,比起传统育种,分子标记辅助育种已经有了非常大的进步,但它并不像绿色和平认为的那样能解决一切问题。

随着分子生物学以及基因组学的飞速发展,植物育种学的工具箱已经越来越丰富。早在1994年,第一个商品化转基因番茄就已经在美国被允许销售,转基因技术从时间上来看早已经不能算什么新的技术了。就在今年,由Cibus公司研发的通过基因编辑技术得到的抗除草剂油菜也将要在美国开始种植。2014年,simplot公司利用同源转基因技术(cisgenic), 将野生土豆中的基因片段转入栽培土豆,研发出能防止褐化的Innate土豆,这种技术不使用外部基因(比如细菌中的Bt蛋白)而是利用可杂交物种中的遗传信息。

在国际上,对于遗传修饰作物的争论已经转移到了下一个战场,比如是否应该重新定义遗传修饰作物(GMO)的含义,从而能更好地将新一代基因编辑技术归类。而绿色和平,仍旧在反对一切新兴的技术,反对一切“不自然”的技术,可一个最近的研究发现,植物转基因的载体——农杆菌的某些元件被发现在几乎所有栽培红薯中,这说明自然界中的转基因不仅仅发生过,而且在传统育种的驯化的过程中被保留了下来。那么,绿色和平是不是要将红薯剔除自然界?

图文作者林啸系荷兰瓦格宁恩(Wageningen)大学博士生,专业方向是马铃薯晚疫病抗性育种。

来源:基因农业网

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