透过芯片看基因

 澳门新葡亰平台官网     |      2020-03-31 15:41

水稻全基因组育种芯片。 本报记者王澎摄

实验室操作台前忙碌着的工作人员。

近日,中国种子集团有限公司生命科学技术中心通过了企业国家重点实验室评定。早有耳闻,以生物信息为依据,以高通量分子标记筛选为手段,分段式工厂化流水线的生物育种技术——基因组育种是该中心的“王牌”,而这项技术的核心之一竟是一块小小的芯片。本期《前沿》带您走进中国种子生命科学技术中心,探寻其中的奥秘。——编者

育种芯片——筛选优化基因

【每一张育种芯片都比一块电脑内存条还要小,8厘米长,2.5厘米宽,厚度不到0.2厘米。芯片的一端贴着一块带编号的条码,在贴条码的一面上,隐约可以看到两排每排12个泛着光的长方形“小方块”,每个“小方块”的大小不到0.1平方厘米。“每一个‘小方块’就对应着一个被检测样品,一块芯片可以同时检测24个样品。”中国种子生命科学技术中心基因组育种部邱树青拿起一张育种芯片说,“针对每一个样品,每次可以检测近7万个高质量基因标记位点。”】

2000年人类基因组测序完成标志着人类生物技术研究迈进基因时代,2005年在植物领域,水稻全基因组测序也随即完成,这为科学家研究生物性状奠定了科学基础。“以前,传统育种是根据田间植物形态和农艺性状的表现来筛选亲本,将高产优质的亲本和抗病抗虫的亲本进行杂交,在后代中通过大群体多年多地点筛选性状表现好的植株,不断繁殖鉴定,培育出高产抗病虫的品种。这种筛选依靠植物的田间表现和育种家的经验,需要世代累积才能寻求最佳植株,工作强度大,非常辛苦。育种家只观察植株各个性状的表现,不知道性状是由什么基因控制的,传统筛选方法的效率和可靠性都有待进一步提升。”基因组育种部总监周发松告诉记者,“通过育种芯片可以了解影响各个性状的基因,从而进行精准筛选和性状优化。如果能筛选出最好的基因组合,就为培育出理想的品种组合创造了技术条件。”

传统育种手段里,育种家通过观察和经验来预测作物带有的不同基因,而随着基因技术的发展和育种芯片的不断完善,基因的神秘面纱正在被揭开,育种家们也迎来了基因育种的新时代。通过科学手段去了解鉴定各个亲本资源所携带的优良基因,将最优良的基因组合在一起,培育出最理想的作物新品种,成为了整个中心共同努力的目标。

以往育种家根据作物的田间表现进行判断,能观察到的性状很有限,而且并不是所有的性状都能观察得到。“以水稻为例,田间能观察到的性状只有20多个,而水稻有3万多个主要基因和6万多个可能的基因,传统育种手段观察到的只是冰山一角。”周发松说,“育种芯片的作用就是把科学家对功能基因组的研究成果转换成育种工具。”

分子标记筛选——一次检测成百上千指标

【谈到育种芯片的作用,邱树青这样比喻:就像做抽血化验,以前抽一次血只能检测一两个指标,而如今化验一次可以检测成百上千个指标。育种芯片通过高通量分子标记筛选技术极大地加快了育种中个体植株性状的检测速度,传统育种方式就像中医一样,通过“望闻问切”等方式查看和筛选植株,而育种芯片可以通过基因检测,从大量后代中迅速找出优秀植株,从而缩短育种时间。】

“育种芯片是检测工具,帮助育种家快速排除95%以上的非目标单株,节约了资源,提高了效率。这样培育一个新品种只需要3至5年的时间。”基因组育种部喻辉辉说,“与传统育种方式一样,杂交回交等产生新后代的方法还是不变的。”

通过育种芯片的检测,可以对种质资源进行快速分析和筛选,从而得到具有高产、抗病、高肥效、优质等基因的不同种质资源。通过对种质资源的综合分析和考量后,可以筛选出具有多数优良基因的资源材料做亲本。选出亲本后的下一步就是杂交,通过育种芯片,科学家可以选定杂交后代中带有更多优良基因的植株。由于育种芯片检测的对象是基因,所以杂交后代不需要等待植株经过漫长的生长阶段,在种子上或者幼苗的叶子上取点样品,就能进行基因检测了。这样一来可以提前至少半年时间,更重要的是极大地提高了检测效率。

人无完人,品种里也没有十全十美的品种,而木桶效应在育种上表现得格外明显。产量高、品质好的品种,却因为对一种病害或一种虫害缺乏抵抗力而出现减产或绝收的情况时有发生;产量不高却对某一病害或虫害有着得天独厚抵抗力的品种也是“大有人在”。全基因组育种芯片让只改变单一性状的精准育种成为可能,育种家们可以精心打磨已经育成的品种,力争早日培育出多抗、优质、高产、高肥效、重金属低吸附的资源节约、环境友好的绿色超级作物新品种。

从种质资源筛选到新品种选育,从品种特性检测到品种真实性检测,基因这张“身份证”一直伴随着每一粒种子、每一棵植株,有了育种芯片,就可以迅速“认出”每一粒水稻。

流水线育种——实现专业化分工

【有人曾做过这样一个比喻:从事农作物育种研究的有两种人,一种叫汉子,另一种叫女汉子。面朝黄土背朝天,南繁北育如飞雁,恰是育种工作者们生活的真实写照。走在中心的大楼里,看到在办公室里电脑前的、实验室操作台前的忙碌着的工作人员们,丝毫看不到他们身上的“乡土气息”,这里没有皮肤黝黑、脸上带着两片“高原红”的庄稼汉更没有女汉子。】

“分段式育种流水线的建立,把整个育种过程分成了多个环节,实现了专业化分工。”周发松说,“每个工作人员只需要专注于自己擅长的一个技术环节,不像传统育种方式那样,育种家必须掌握和参与所有的育种技术环节,更不用整年风吹日晒。”以往由于从事育种工作需要长期在田间风吹日晒雨淋,所以女性工作者很少,如今的基因组育种,大部分工作都是在实验室和温室内完成,这让作物育种这个领域不再“阳盛阴衰”。

周发松把以往的育种家比喻为画家,绘画作品创作到一半时别人是很难继续完成的,风格也很难保持一致;而如今商业化育种体系下,分段式流水线育种上的工作人员更像是工厂里制造不同元件的工匠。传统育种手段下,育种家们日复一日、年复一年的积累经验和育种材料,以师傅带徒弟的方式组建团队,难以形成规模,也没有条件构建现代化的生物技术平台,整合利用多学科领域的最新研究成果。而且,单个育种家的调动或离开会对整个团队乃至团队所在的企业产生巨大的影响。

育种芯片的出现,实现了分段式流水线育种体系的建立,育种工作者也从此进入专业化分工时代,不再需要担心单个工作人员的变动,各个环节的成果更是可以分享和共享的。每个育种家都可以竭尽全力专注于自己最擅长的那部分,为新品种培育不断提供优质的中间材料。

“育种方案制定、种质资源收集、亲本配组、全基因组与分子标记辅助选择、优系测配筛选、产品测试等等,都是商业化育种链条中的一个环节,品种是这一过程的唯一出口,这样一来各个环节所在的各个部门就可以借助信息系统有机的协调起来。”资源管理部总监彭俊华说,“从商业管理的角度而言,做种质资源的人、做基因组测序的人和做田间试验的人不涉足新品种培育,育种工作只由育种家来统筹,一定要分工明确,权责清晰。这些都是不同的手段或支撑平台,各司其职通力协作才能高效培育出好品种。”

胁迫环境——模拟病虫害发生

【中国种子生命科学技术中心二楼的一个培养室内,一位名叫陈美娟的工作人员正在查看罩在塑料膜里的一盆水稻,在她身旁恒温箱里摆放着一盒盒长满真菌的培养皿。这名工作人员正在查看记录感染稻瘟病水稻的生长情况。在距实验楼不远的空地上,立着一座座温室大棚,其中一个栽培池里所种的水稻却都长得不好,除了几株依然“坚挺”的水稻外,其余已经被虫子蛀得枯黄。】

“这些水稻正在进行抗稻飞虱试验。”邱树青向记者解释道,“育种芯片检测后,还要进行大田模拟,让定向培育的抗稻飞虱水稻生长在有大量稻飞虱的环境中,进一步验证水稻的抗虫效果。在抗病鉴定温室理,工作人员给抗稻瘟病的水稻接种稻瘟病菌,进一步验证优良植株的抗稻瘟病效果。”虽然育种芯片可以快速筛选优良的基因型植株,但实践是检验真理的唯一标准,只有经得起性状表型考验的植株才是真正有育种价值的植株。

我国地域辽阔,物种丰富、生态环境多样,同一个水稻品种在不同地区种植所遇到的病虫害不尽相同,而即便是同一种病害,在不同地区的表现和诱因也有很大差异。“实验楼二层恒温箱的每一个培养皿里,都是不同的稻瘟病生理小种。”邱树青告诉记者,“不同地区的稻瘟病需要不同的基因来抵抗,此外,我们预防的病虫害也是在不断进化的,每年种植的作物品种都要够经受新的病虫害考验。”

育种家们一直在利用育种技术与病虫害进行着“赛跑”,这一个个胁迫环境下的栽培池、培养箱成为了新品种与病虫害针锋相对的战场,“模拟军演”在这里打响。

问:科学家可以培育出高产高质又什么病虫害和逆境都不怕的品种吗?

答:不可能,自然环境在不断变化,病虫害也是生物也在不断进化,要不断更新品种才能应对这些变化。

问:水稻全基因组育种芯片可以取代传统田间筛选吗?

答:不可以,二者是相辅相成的,无论采用哪种手段培育出的新品种,在推广前都要经过到大田中进行生产测试。

问:通过水稻全基因组育种芯片培育出的作物是转基因作物吗吗?

答:不是转基因作物,水稻全基因组育种芯片只是检测手段,在育种方式上还是传统的杂交回交等方式。

问:水稻全基因组育种芯片研究进展如何?答:中种集团以水稻全基因组育种芯片为核心建立起了全基因组育种技术体系,历时4年通过杂交、回交等常规育种手段,将稻瘟病抗性基因汇集到骨干亲本品种中,同时借助育种芯片技术让育种“精确制导”,在提高抗性的同时不带入其他基因,保证了原有骨干亲本品种各种形状不发生改变。

这一技术体系除可针对稻瘟病进行定向改良外,还可针对水稻其它病虫害、粒型、香型、胶稠度和生育期等进行精准的定向改良,更可为农业部等各级农业行政主管部门、科研院所、高等院校及企业提供包括DNA指纹鉴定、高通量分子标记检测、品种真实性检测等高质量技术服务。

问:水稻全基因组育种芯片是什么?

答:一种检测技术,将水稻不同基因的功能信息集中到一起,用来检测水稻所含有的基因。