整理撰稿人：中科院國家科學圖書館總館現代農業(yè)科技情報研究團隊

袁建霞（E-mail:yuanjx@mail.las.ac.cn）、楊艷萍、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，隨著分子生物學、組學和系統(tǒng)生物學等交叉學科的迅猛發(fā)展以及基因組測序等技術的不斷突破，分子標記輔助選擇和轉基因技術逐漸成為當前動植物育種的重要技術途徑之一，并取得了突破性進展，但其同時也顯現出一些迫切需要解決的難題。由于動植物重要農藝（經濟）性狀都是由多基因控制的復雜性狀，單一或少數基因的改良不足以引起目標性狀的整體優(yōu)化。因此，具有高效、定向、高通量特點的模塊育種與全基因組關聯(lián)分析等技術將成為未來育種的重要手段。

1 主要科技內涵

模塊育種是基于農業(yè)生物復雜性狀改良提出的一種新型育種理念，主要包括：（1）發(fā)掘和解析分子模塊，即分析控制農業(yè)生物復雜性狀的重要基因及其等位變異，解析功能基因及其調控網絡的可遺傳操作的功能單元；（2）闡明分子模塊耦合機理，利用計算生物學和合成生物學等手段將分子模塊有機耦合，分析模塊互作對復雜性狀的綜合調控潛力，并開展理論模擬和功能預測，實現模塊群與遺傳背景及區(qū)域環(huán)境三者的協(xié)調統(tǒng)一；（3）在全基因組水平上進行多模塊的優(yōu)化組裝，設計有效育種方案，實現復雜性狀的定向改良[1]。

全基因組關聯(lián)分析（genome wide association study，GWAS）是一種高通量分析分子標記與表型間關聯(lián)關系的方法，主要利用遍布于整個基因組的分子標記（目前主要是SNP）與統(tǒng)計學工具對影響復雜性狀的遺傳變異進行鑒定和分析[2，3]。該技術能夠降低大樣本全基因組水平分析的成本，加快動植物分子育種的研究進程。

模塊育種技術的突破將會解析和闡明動植物重要復雜性狀的遺傳網絡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，并建立多模塊耦合的遺傳操作技術，解決現有育種技術瓶頸，實現動植物復雜性狀的分子設計育種。全基因組關聯(lián)分析技術的發(fā)展將有助于開發(fā)出大樣本、低豐度的基因組測序和基因分型方法，高效鑒定大量復雜性狀的相關基因及發(fā)掘動植物遺傳變異，從而達到在整個農業(yè)物種范圍內選擇和利用種質資源，實現品種優(yōu)良遺傳性狀的最佳組合。

2 對科技進步和經濟社會發(fā)展的影響

模塊育種是生命科學前沿問題與育種實踐的有機結合，將引領育種技術革命的新方向，提高動植物育種技術水平，增加農產品產量，并改善農產品品質。全基因組關聯(lián)分析不僅會豐富動植物標記輔助選擇中可利用的分子標記，而且還會為這些性狀分子機理的探索研究提供重要線索。這兩項技術將共同推動我國生物育種戰(zhàn)略性新興產業(yè)的發(fā)展，對保障國家糧食安全、提高農業(yè)綜合生產力及農產品國際競爭力起到重要作用[4]。

3 國內外研究進展

模塊育種目前尚處于起步階段，大量研究主要集中在重要基因或QTL及其等位變異挖掘等前期工作上。雖然現階段尚未真正實現模塊化設計育種，但一些重要成果表現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用已培育出了大量高產、抗病新品種；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”，就是一個新的核質雜種克隆品種，其平均增產超過20%[1]。此外，一些育種模擬工具也日益成熟。

全基因組關聯(lián)分析技術在動植物育種中的應用主要集中在對影響復雜性狀的標記及主效基因的挖掘上，目前已在動植物上發(fā)現了多個具有較強統(tǒng)計顯著性的分子標記及區(qū)域[5，6]。在植物方面，已利用SSR、AFLP等標記對玉米、小麥、大麥、大豆、水稻等作物的重要農藝性狀進行了全基因組關聯(lián)分析[7]。在動物方面，已開發(fā)出牛、豬、馬和雞的大量SNP標記，推出高密度芯片，并對重要經濟性狀及復雜疾病抗性等開展了全基因組關聯(lián)分析[2]。

4 中國的優(yōu)勢

“分子模塊設計育種”是中科院科學家在2008年率先提出的新型育種理念，現已形成了“分子模塊設計育種創(chuàng)新體系”的實施方案。我國在模塊育種和全基因組關聯(lián)分析的基礎性工作上已取得顯著進展：基因組學研究處于國際領先行列，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；基因組研究新技術的開發(fā)與應用取得顯著進展，開發(fā)了基于高通量基因組測序的基因型鑒定方法，成功開展了水稻、奶牛、豬、雞等重要性狀的基因組關聯(lián)分析；完成了一大批有重要應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；蛋白質組、代謝組、表型組等系列“組學”平臺建設也日趨完善。

5 未來10年中國可能取得的重大科技突破

未來5—10年，我國在模塊育種領域將有可能實現以下3個重大科技突破：

（1）“分子模塊辭?！?。水稻復雜性狀全基因組編碼規(guī)律?！胺肿幽K育種體系”通過基因組測序、全基因組關聯(lián)分析等多種組學手段，發(fā)掘和鑒定水稻高產、穩(wěn)產、優(yōu)質、高效等的分子調控網絡，揭示復雜性狀形成的分子模塊基礎，系統(tǒng)解析和獲得水稻復雜性狀的分子模塊，并在相同遺傳背景下檢測其生物學效應，闡明基因型-表型的對應關系，并最終編纂成對水稻乃至其他禾谷類等育種改良具指導意義的基于網絡開放式的、最權威的數據庫集成。

（2）多模塊非線性耦合理論。利用模型，根據各分子模塊元件在自然群體中的單倍體型組合及分子模塊信息，模擬計算不同分子模塊在單個復雜性狀形成以及不同復雜性狀相互影響中的耦合效應：①明確控制單一復雜性狀的主效模塊、微效模塊；②解析單一復雜性狀主效模塊與主效模塊、主效模塊與微效模塊、微效模塊與微效模塊間的復雜互作關系（如顯性、疊加、上位、拮抗等效應），及其在該性狀形成中的決定性作用；③模塊及模塊間相互作用對于系統(tǒng)特定性狀的魯棒性的影響；④解析不同復雜性狀形成中主效模塊與微效模塊的互作關系，闡明各模塊在不同復雜性狀形成的動態(tài)效應及控制不同復雜性狀各主效模塊對其他性狀形成的效應等，從而揭示“一因多效”及“多因一效”的分子機制，進而為在作物多性狀系統(tǒng)水平的優(yōu)化提供理論基礎。然后，通過雜交組合群體（如重組自交系、近等基因系、單片段替換系等），找出遺傳背景一致、只有特定分子模塊元件及其組合進行替代的多個個體，對上述的分子模塊元件在單個復雜性狀形成以及不同復雜性狀相互影響中的耦合效應進行驗證，在此基礎上進一步調整多模塊耦合效應模型建立中的各個參數和函數，經過循環(huán)調整，最終建立“多模塊非線性耦合理論”。

（3）“全基因組導航”分子模塊設計育種技術。“全基因組導航”育種技術，是專門為解決常規(guī)育種技術瓶頸而設計產生的。通過“全基因組導航”，可讓育種家從一個龐大育種群體中，高效而又針對性地選擇最理想基因型個體，并最終塑造成理想的推廣品種?！叭蚪M導航”將第一次系統(tǒng)地描述和建立分子模塊設計育種理論體系，通過對已有基因組進行掃描檢測，從而獲得基因組的海量信息。利用這些信息并結合云計算技術，構建一門新的育種理論和技術。通過它可以快速、準確地預測雜交群體中哪一個體是聚合眾多優(yōu)良基因型的個體。同時也可根據育種家的需要，高效預測現有推廣品種中所遺缺或者需要改良的基因型組合，為育種家培育理想品種提供最佳育種策略和方案。

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

2 王繼英，王海霞，遲瑞賓等.全基因組關聯(lián)分析在畜禽中的研究進展.中國農業(yè)科學.2013,46（4）：819-829.

3 Aranzana M J,Kim S,Zhao K et al.Genome-wide association mapping inArabidopsis identifies previously known flowering time and pathogen resistance genes.Plos Genetics,2005,1（5）：e60.

4 中國科學院.科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇.北京：科學出版社,2013.

5 Hansen M,Kraft T,Ganestam S et al.Linkage disequilibrium mapping of the bolting gene in sea beet usingAFLP markers.Genetical Research,2001,77（1）：61-66.

6 李聰,孫東曉,姜力等.奶牛重要經濟性狀全基因組關聯(lián)分析研究進展.遺傳，2012，34（5）：545-550.

7 張雁明，邢國芳，劉美桃等.全基因組關聯(lián)分析：基因組學研究的機遇與挑戰(zhàn).生物技術通報，2013,1-6.