整理撰稿人：中科院國家科學圖書館總館現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技情報研究團隊楊艷萍（E-mail：yangyp@mail.las.ac.cn）、袁建霞、董瑜

審稿專家：中科院遺傳與發(fā)育生物學所薛勇彪研究員

分子模塊設(shè)計育種科技將創(chuàng)造新一代農(nóng)業(yè)生物品種

整理撰稿人：中科院國家科學圖書館總館現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技情報研究團隊楊艷萍（E-mail：yangyp@mail.las.ac.cn）、袁建霞、董瑜

審稿專家：中科院遺傳與發(fā)育生物學所薛勇彪研究員

近年來，隨著生命科學、信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的滲入和迅猛發(fā)展，世界各國都非常重視利用分子標記輔助選擇和轉(zhuǎn)基因等育種技術(shù)來提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，確保糧食安全和搶占現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技前沿制高點。然而，由于動植物的重要農(nóng)藝（經(jīng)濟）性狀都是由多個DNA為基因控制的復(fù)雜性狀，其基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)常呈現(xiàn)“模塊化”的特征，現(xiàn)有的分子育種技術(shù)對性狀改良的范圍和空間有限，不能滿足復(fù)雜性狀分子設(shè)計育種目標的需求，因此未來的發(fā)展方向是多基因控制、多目標嵌入的分子模塊育種[1]。基于上述認識，中科院科學家于2008年提出了“分子模塊設(shè)計育種”的新型育種理念，以期建立面向未來的新一代生物育種技術(shù)。

1 科學內(nèi)涵及意義

分子模塊設(shè)計育種是一種以組學、分子生物學、系統(tǒng)生物學、合成生物學、計算生物學的發(fā)展為基礎(chǔ)，以培育動植物新品種為目標導向的新型育種理論和技術(shù)體系，主要包括3個步驟：（1）發(fā)掘和解析分子模塊，即運用分子生物學、基因組學和系統(tǒng)生物學等前沿生物學研究的最新成果，對控制農(nóng)業(yè)生物復(fù)雜性狀的重要基因或QTLs及其等位變異進行功能研究，解析功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的可遺傳操作的功能單元；（2）闡明分子模塊耦合機理，采用計算生物學和合成生物學等手段將上述模塊有機耦合，系統(tǒng)發(fā)掘分子模塊互作對復(fù)雜性狀的綜合調(diào)控潛力，并開展理論模擬和功能預(yù)測，實現(xiàn)分子模塊群與遺傳背景及區(qū)域環(huán)境三者的有機協(xié)調(diào)統(tǒng)一，發(fā)揮分子模塊群對復(fù)雜性狀最佳的非線性疊加效應(yīng)；（3）在全基因組水平上進行多模塊優(yōu)化組裝，實現(xiàn)復(fù)雜性狀的定向改良。在此基礎(chǔ)上，建立新一代超級品種培育的系統(tǒng)解決方案和育種新技術(shù)，培育新的“設(shè)計型”動植物品種[2-4]。

分子模塊設(shè)計育種是生命科學前沿科學問題與育種實踐的有機結(jié)合，將推動分子設(shè)計育種的重大理論和技術(shù)突破，引領(lǐng)育種技術(shù)革命的新方向。分子模塊育種創(chuàng)新體系的建立，將有助于提升我國動植物育種的技術(shù)水平，培育出一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)和高效的動植物新品種，推動我國生物育種戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這對提高我國農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力、增強農(nóng)產(chǎn)品國際競爭力以及保障我國糧食安全有著非常重要的戰(zhàn)略意義。

2 國內(nèi)外研究進展

分子模塊設(shè)計育種尚處于起步階段，大量研究主要集中在重要基因或QTL及其等位變異的挖掘等前期基礎(chǔ)工作上。國內(nèi)外研究人員已在多種重要動植物中定位和克隆多個控制高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、營養(yǎng)、高效等重要性狀的基因或QTL[3，5，6]。相關(guān)的育種模擬工具也日益成熟并在育種中應(yīng)用，可模擬復(fù)雜遺傳模型和育種的計算機軟件QuLine、QuHybrid和QuMARS相繼問世，并已用于不同育種方法的比較研究中[5]。

雖然現(xiàn)階段尚未實現(xiàn)真正通過預(yù)先設(shè)計進行復(fù)雜性狀改良的品種培育，但近年來很多重要成果與重大技術(shù)發(fā)明均表現(xiàn)出了模塊化功能的特征，如在小麥中導入黑麥1BL/1RS染色體置換片段，該天然育種模塊的應(yīng)用已經(jīng)培育出了大量高產(chǎn)抗病新品種；水稻理想株型基因IPA1、水稻粒寬基因GW8及其miRNA156關(guān)系的闡明，為水稻產(chǎn)量的大幅度（＞10%）提升奠定了基礎(chǔ)；利用銀鯽雌核生殖和兩性生殖雙重生殖方式培育出的異育銀鯽“中科3號”，即是一個新的核質(zhì)雜種克隆品種，其平均增產(chǎn)達20%以上[7]。

3 中國的優(yōu)勢

我國已在分子模塊設(shè)計育種領(lǐng)域進行了前期部署，“973”計劃和“863”計劃均設(shè)立了分子設(shè)計育種項目，并開展了相關(guān)工作[8,9]。中科院也先后組織實施了“小麥、水稻重要農(nóng)藝性狀的分子設(shè)計及新品種培育推廣”重大項目和“分子模塊設(shè)計育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略先導專項。這些項目的實施為我國凝聚了一大批國際知名科研力量，完善了相關(guān)學科布局，為進一步的研究工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

我國在基因組學研究方面處于國際領(lǐng)先地位，先后完成了水稻、小麥、棉花、鯉魚、草魚、山羊等多種動植物品種的全基因組測序；蛋白質(zhì)組、代謝組、表型組等系列“組學”平臺建設(shè)日趨完善。功能基因組研究具有世界先進水平，完成了一大批有重要應(yīng)用前景的動植物基因的克隆與功能解析，已建成包括水稻大型突變體庫、全長cDNA文庫、全基因組表達譜芯片等大型功能基因組研究平臺。目前已建立了多個可用于分子模塊設(shè)計育種的遺傳群體，如NAM群體、MAGIC群體和染色體置換系等。

4 標志性目標和成果

分子模塊設(shè)計育種技術(shù)的突破將會解析和闡明動植物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效等重要農(nóng)藝（經(jīng)濟）性狀的遺傳網(wǎng)絡(luò)及其分子模塊控制理論，獲得具有重要育種價值的分子模塊，并建立起多模塊耦合的遺傳操作技術(shù)，解決現(xiàn)有育種技術(shù)的瓶頸問題。最終將建立起從“分子模塊”到“設(shè)計型品種”的現(xiàn)代生物育種創(chuàng)新體系，實現(xiàn)動植物多個復(fù)雜性狀的協(xié)同改良，培育出一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)和高效的分子設(shè)計型動植物新品種。

1白春禮.世界正處在新科技革命前夜.光明日報，2012年12月30日.

2路甬祥.迎接新科技革命挑戰(zhàn)，引領(lǐng)和支撐中國可持續(xù)發(fā)展.2010年2月26日在全國人大常委會第十四次專題學習會上的講座.

3王健康，李慧慧，張學才等.中國作物分子設(shè)計育種.作物學報,2011,37（2）：191-201.

4儲成才.轉(zhuǎn)基因生物技術(shù)育種:機遇還是挑戰(zhàn)？植物學報,2013,48(1):10-22.

5薛勇彪，段子淵，種康等.面向未來的新一代生物育種技術(shù)——分子模塊設(shè)計育種.中國科學院院刊,2013, 28（3）：308-314.

6孫效文,梁利群,閆學春.水產(chǎn)養(yǎng)殖動物基因組研究的現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景.水產(chǎn)學報,2004,28(6):716-722.

7 http://www.973.gov.cn/ReadCont.aspx?aid=352.

8 http://www.39kf.com/yyjj/biotechnology/01/2009-01-06-554838.shtml.

9 http://www.genetics.ac.cn/xwzx/zhxw/201207/ t20120723_3620168.html.