植物育种的未来

2013-06-26 | 作者: | 标签: 植物育种


图自b4fa.org

2010 年2 月12 日著名科学杂志“Science”出版了“粮食安全”专刊,全面论述了全球粮食安全问题,其中专门刊登了育种家对未来植物育种性状目标和技术方面的总结和展望,明确提出未来育种的目标是:要提高种子和植物可食部分的营养成分,杂种的无性繁殖,发展传感器技术,培育节水植物,延长保鲜时间,提高氮素利用效率,以及更有效地防治害虫。要实现上述目标则要大力发展人工染色体技术,RNA 干扰技术,靶向基因置换技术,以及机器人技术。
关于未来植物遗传改良的新目标,有如下方面论述:
 
1.  提高种子和植物可食部分的营养成分
 
营养成分作为育种性状,用常规的手段是比较难以达到的。现今,转基因技术被认为是改变植物性状的理想方法。转基因技术已经培育出以抗咀嚼性害虫(玉米、棉花及油料植物)和抗除草剂(玉米、大豆、油料植物)性状为主的新型植物。新一代的转基因植物的目标主要是改变食物的营养成分。Paine 等(2005)研制出一种富含预成维生素A 的改良型黄金大米,有助于消灭在亚洲地区广泛存在的维生素A 缺乏症。Lee 等(2009)使用Nicotianamine 合酶(NAS)基因对水稻品种进行改良以增加稻米矿物质含量获得成功,已培育出高铁含量的水稻,并证实这种高铁水稻能改善实验鼠的贫血症状,这种高铁水稻如果商业化种植可以减少以大米为主食的人群中常见的贫血症。
 
2.  无性繁殖固定杂种优势
 
杂交种子能叠加双亲拥有的优良性状,表现出杂种优势,如抗逆性强、早熟高产、品质优良等。但是杂种分子植物育种后代往往会产生随机的分离,造成性状良莠不齐,因此,农民不得不花费昂贵的价格每年购买新的杂交种子。据估计,世界各地的农民每年用于购买植物种子的费用约为360 亿美元,尤其是购买那些具有抗虫、抗逆等特殊性状的种子其投入则更多。
 
通过无性繁殖固定杂种优势获得杂交种子(无融合生殖),是解决杂交种子成本昂贵的未来策略。Ravi 等(2008)的研究表明,拟南芥的SWI1 突变体可导致有功能的、不完全减数分裂(apomeiosis)的雌配子的形成。该研究证明了不完全减数分裂是无融合生殖的重要组成部分,这是由一个分子特性已知的单个基因的突变引起。这一重大突破说明了通过对在正常有性发育中的功能基因的操作,可合成无融合生殖植物。我们可以设想,假如水稻杂种可以经无融合生殖繁殖种子,每年可为农民节省40 亿美元的种子的费用。2010 年Olmedo-Monfil 等的研究又将植物育种的有性繁殖转向无性繁殖推进了一步,调整一年生植物的遗传,使它们成为多年生植物。这一发现可能对植物育种及农业产生深远的影响。
 
3.  传感器技术的利用
 
传感器,如温、湿度传感器,PH 值传感器、二氧化碳传感器等,在当今的现代农业产业中已经司空见惯,已广泛使用各种植物的育苗、生产、收获、储藏与流通等环节。所有这些似乎都是对植物生长环境的监测。未来的传感器技术将从应用于植物本身着手。当植物感受到逆境胁迫时,叶子或茎部的色素基因将及时地打开,改变颜色,从而提醒农民采取补救行动,这听起来有点天方夜谭,但科学家就是这么想的。目前,一种新型的植物生长传感器已在美国应用于家庭花卉种植。这种体积小巧的传感器可以全面地收集与植物生长有关的数据通过USB 接口直接将收集到的数据传输至计算机。用户可通过专用网站对该数据进行分析,从而了解植物当前的生长状况,甚至还能准确地告诉种植者花园中哪株植物需要浇水了,哪株植物生病了以及如何解决等信息。
 
4.  培育节水耐旱植物
 
干旱缺水已经成为世界农业生产面临的严重问题。2010 年2 月4 日以“玉米与水分协调”为主题的种植者会议上,杜邦作物遗传研究与发展公司总裁Bill Niebur 提出植物育种、产品定位和农艺管理的整合,是培育耐旱作物,培育耐旱作物是持续提高农业生产力的关键。2009年7 月,《分子植物育种》编辑部以调查问卷的方式对中国3 000 多个植物生物科学研究领域的科研人员、学者和研究人员作了调查。调查结果显示38.2%的科研人员认为改良植物耐旱性状能最大提高植物的产量或经济效益。还有专家设想通过重组根和叶结构和提高抗旱生化反应途径,可以提高水的利用效率。例如,较浅的根,可以更好地利用土壤表面的水分。
 
5.  延长保鲜时间
 
产后保鲜是农业生产的重要环节,利用物理化学手段对收获的水果、蔬菜进行保鲜,不但需要增加昂贵的费用,还不可避免的要面临污染、腐烂等问题。据有关资料显示,中国每年果蔬腐烂超过8×107 kg,加上生产、人工、运输成本,造成的经济损失高达750 亿元人民币,占整个行业产值的30%以上。可见,解决产后保鲜是一个不亚于提高产量的问题。近年来,新型的保鲜技术层出不穷,但大都处于研究阶段,作用机理不明确,相关的技术不成熟,还见有有广泛的应用。Meli 等(2010)发现影响植物成熟的α-Man 和β-Hex 两个关键基因,将这两个基因“沉默”即关闭,培育出的番茄保鲜时间能延长1 个月。毫无疑问,控制成熟和衰老,从而减轻腐烂,达到保鲜的目的将是遗传育种的重要方向。
 
6.  提高氮素利用效率
 
对农民和环境来说,肥料都是“昂贵”的。提高植物的吸收和肥料的利用率对减轻农民和环境的“负担”有很大帮助。因此,培育植物实现自主固氮,可能是最好的途径。斯坦福大学的研究人员揭示了豆科植物共生细菌将氮转变为植物肥料的机理,可以用来改善一些植物减少对化肥的需求。伊利诺伊大学的农业工程师Kaustubh Bhalerao 认为可以通过合成生物学使玉米固氮。
 
7.  更有效防治害虫
 
在农业生产中,害虫的危害是植物减产的重要因素。增加只杀死害虫或线虫的毒素类基因,或者是吸引这些害虫的天敌的基因,不仅可以达到有效防止害虫的目的,还可以减缓使用化学农药造成环境污染的恶性循环。众所周知的Bt 基因已经广泛地用于棉花等作物。另外,美国普渡大学和美国农业部的研究显示,含有抗麦蝇基因Hfr-1 和Hfr-3 的小麦能损害麦蝇幼虫中肠及其吸收养分的能力。

资料来源:刘珊,《植物育种技术》,军事医学科学出版社,2012  

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