浅谈远缘杂交与转基因作物育种

2016-12-20 | 作者: 李兴锋 童依平 | 标签: 杂交


图dl.sciencesocieties.org
 
粮食作物的丰产性、品质、肥料利用效率和抗病虫能力是由基因控制的,因此要改良农作物品种,就需要在育种过程中利用能控制这些性状的优良基因。

我们平时所说的杂交育种,首先需要通过种内两个不同品种之间进行杂交以实现基因交换,然后从其杂交后代的分离群体中筛选综合了双亲优良性状或基因的优良个体进而形成品种。

由于人类长期定向选择和集约化品种的选育推广,自然界中栽培农作物种内基因库中可利用的优异基因源正在日益减少。而社会、环境条件的变化和人们生活水平的提高,农业生产又面临着许多前所未有的新挑战。当现有品种的优良基因都不能满足要求的时候,育种家不得不把目光投向更为广阔的生物资源库,从野生近缘种或者是亲缘关系更远的物种中寻找优良的可用基因。

远缘杂交通常是指植物分类学上不同种、不同属甚至亲缘关系更远的物种之间的杂交。通过远缘杂交可将其他近缘种属的有益性状(如抗病、抗虫、抗逆性强、优质)的基因资源导入栽培种,从而培育出高产、品质优良、抗病虫能力强、肥料利用效率高的农作物新品种。目前该方法已在大田作物、蔬菜作物、果树和花卉育种中广泛应用,并成为育种工作的一个重要领域。

例如,中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李振声利用小麦的近缘植物长穗偃麦草与普通小麦进行杂交,培育出高产优质的小偃4号、5号、6号、54号、81号等系列小麦新品种,其中仅小偃6号就累计推广1 000万公顷。我们许多小麦育种家利用小偃系列小麦品种作为亲本,选育出了几十个小麦新品种,累计种植面积达2 000多万公顷。还有普通小麦与黑麦杂交所形成的1BL.1RS易位系,将黑麦1RS染色体上所携带的多种抗病基因、抗飞虱基因及与丰产性、适应性有关的基因转移到普通小麦遗传背景中,并且具有稳定遗传的特点,在世界小麦生产和育种中得到了广泛的应用。

果树和蔬菜作物中,自然发生和人工获得的远缘杂种也有很多例子。例如我们平时所吃的苹果梨,不仅品质好、丰产,而且抗寒,被认为是秋子梨和沙梨的天然种间杂种。此外,国内外许多科学家在苹果、梨、杏、李、樱桃、葡萄、柑橘的新品种培育过程中也广泛地采用了远缘杂交技术,并获得许多优良的新品种。

虽然远缘杂交可以转移来自不同近缘种、不同近缘属的有利性状和基因,在农作物品种培育和保证中国粮食安全中发挥了巨大作用,但是它也存在着一些缺点。主要表现为由于杂交亲本之间遗传关系相对较远,在杂交过程中会出现杂交不亲和、杂种衰亡或不育以及杂交后代疯狂分离、获得稳定材料耗时较长等现象。此外,远缘杂交技术中杂交亲本之间亲缘关系不能太远,通常为不同属植物之间的杂交,很少见到不同属以上类型(如不同科间材料杂交)的杂交成功的报道,更不用说植物和动物或是微生物之间的遗传信息交流。

此外,远缘杂交转移外源优良性状时,通常是外源种属的整条染色体臂或者染色体片段向栽培品种的转移。即使是小片段的外源染色体,其上面也可能有着成百上千的基因,因此其上面除了我们所想要的有利性状和基因外,可能还携带有我们所不想要的不利性状或基因。例如我们上面所说的小麦—黑麦1BL.1RS易位系,除了转移黑麦的抗病、高产和广适等优良基因外,1RS上的黑麦碱合成基因也同时转移到普通小麦中,导致所形成的此类小麦品种一般加工品质都比较差。

为了快速向目标品种中转移优良基因,科学家发明了转基因技术。转基因技术是指将外源基因整合在目标品种的基因组中,培育出符合人们要求的作物新品种的基因转移技术。与传统的杂交育种不同,转基因技术最大的特点就是能够实现优良基因在植物、动物和微生物间的转移,进一步拓宽了育种中种质资源的利用范围,从而培育出一些具有新的优异性状的品种,使得依靠常规育种技术达不到的目标得以实现。这一特点与育种途径中的远缘杂交有着异曲同工的特点,但是又有着其不可比拟的优越性和特点。目前转基因作物育种中的基因来源主要有三类:植物、微生物、动物。

植物有利基因的利用:转基因技术中植物科属的界限正在被打破,不同科甚至亲缘关系更远的优良基因转移已经实现。例如,科学家通过转基因技术,将胡萝卜素形成的基因转移到水稻中,在水稻胚乳中可以合成胡萝卜素,使得原本白色的大米变成了金黄色的“金色大米”。此外,将红树耐盐基因转移进烟草、将仙人掌的抗旱基因转移给谷类作物、将稗草的抗逆基因转移给水稻等研究均已获得成功,相关的研究报道越来越多。除此之外,科学家还可利用转基因技术增强或关闭作物本身的一些基因的表达,从而实现作物改良的目的。例如,我们可以通过基因干扰或沉默技术关闭小麦种子中黄色素合成相关基因,从而提高小麦面粉的白度,降低面粉中增白剂的使用。

微生物有利基因的利用:这方面成功的例子比较多,也是目前有人质疑转基因作物安全性的主要原因之一,因为目前抗虫、抗病转基因作物的抗性基因主要来自微生物。例如,生产中广泛应用的转基因抗虫棉的抗虫基因就来自苏云金芽孢杆菌(Bt)的杀虫蛋白基因。苏云金杆菌是自然界中普遍存在的一类细菌,其含有的杀虫基因已被作为生物杀虫剂广泛应用了70多年,其杀虫原理国内外已经研究得十分清楚。此外,利用编码病毒外壳蛋白基因培育抗病毒病害的转基因作物,利用细菌细胞壁降解酶基因、几丁质酶等基因培育抗细菌性或真菌性病害的转基因作物,均有了许多成功的报道。

动物有利基因的利用:这方面的报道相对较少。例如,将鱼的抗冻基因转到农作物身上,提高农作物的抗寒性;将萤火虫的发光蛋白基因导入烟草,使其在夜间也能发光,均有成功的研究报道,但距商业化还有一段距离。

利用转基因植物作为生物反应器生产药用蛋白和疫苗,已成为制药产业重点开发的热点领域。因为利用植物生产药物比利用微生物发酵生产药物具有如下优点:栽培费用低、产量高;从基因到蛋白所需用的时间相对较短;需要资金少;治疗风险小。把基因药物生产逐步移向农场,利用植物来生产药物是一种全新的生产模式,国际上发达的工业国家特别是美国、英国、荷兰、芬兰和日本都已把植物反应器开发列入国家生物技术革命的战略性计划。据不完全统计,目前已有几十种药用蛋白或多肽在植物中成功表达,一些研究机构或公司已开始从这些药物蛋白的生产中获得了巨大经济效益。例如,利用植物表达生产乙肝疫苗、霍乱疫苗、口蹄疫疫苗等均有成功的研究报道。

此外,与远缘杂交相比,转基因作物一般是一个或少数几个目标基因的定向转移,目标比较明确,后代表现容易预期和把握。可有效地打破有利基因和不利基因的连锁,充分利用有用基因实现作物的定向遗传改良,加快作物的育种进程,使人们可以更快、更有目的地去培育我们所需要的品种。

作者:李兴锋、童依平(华中农业大学) 来源:《百名专家谈转基因》原标题《浅谈远缘杂交与转基因作物育种》有删减。

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