高通量种子切片技术研究及其在作物育种中的应用

 种子切片技术发展现状

国际现状

分子育种技术发展带动着新的育种模式的形成。种子切片技术是作物分子育种过程中一项关键性的技术，取样质量和效率影响着育种规模。国际育种公司早已意识到种子切片设备在作物分子标记辅助选择育种中的应用价值，并开始研发相关技术。2007 年，美国孟山都公司公布了种子切片技术（chipping process）在玉米、大豆育种中的应用。它利用光谱进行种子定向，用激光或机械刀片对籽粒进行精确切割，切下的切片用 96 孔板收集，每天可以处理上万粒种子。种子切片技术的应用，将多性状整合育种（multiple trait integration，MTI）中的种子性状，由原来的 8 个增至 20 个。2008 年，美国杜邦旗下的先锋高级育种国际有限公司（以下简称“先锋公司”）公布种子微创切片技术（又称“激光辅助选种技术”，laser-assisted seed selection），通过将磁性漆喷涂在种子顶部表面定位，然后用激光射线切取籽粒顶部少量胚乳组织，取样后的种子仍保持发芽活性。

国际种业大公司非常重视种子切片技术的垄断，并通过它来限制竞争对手扩大育种规模。他们通常在研发成功某项种子切片技术后马上对相关技术进行专利申请，并限制相关技术研发。2012 年，孟山都公司在美国圣路易斯联邦地方法庭对先锋公司的“激光辅助选种”提出侵权诉讼，虽然二者最终和解，但他们仍制约着这项技术的进一步使用。由于国际种业大公司在种子切片技术方面的先发优势、垄断地位、自行研制使用等原因，国际市场上至今还没有商品化的种子切片设备。

国内现状

为打破国际种业大公司在种子切片技术上的垄断，我国研究单位和种业公司开始着手研发自主种子切片设备，主要有中国科学院合肥物质科学研究院、中国科学院沈阳自动化研究所、沈阳理工大学、中国农业大学、中玉金标记和河南农业大学等，相关技术研发进展迅速。2014 年，李露等发明了一种利用激光进行种子切片的全自动种子切片机；2015 年，王喜庆等发明了“高通量种子自动化取样及阳性种子挑选系统及方法”，描述了通过激光进行切割种子自动取样的设备和方法，并获得国家知识产权局授权；同年，魏英姿等发明了一种双层转盘式育种激光自动切片取样机，并获得国家专利授权；2016 年，杨小东在其毕业论文中描述了利用激光自动切割种子取样的方法；同年，河南农业大学李慧琴等发明了玉米育种自动取样机并获得国家专利授权；2017 年，谷侃锋等发明玉米育种取样自动切片机，可利用神经网络模式进行玉米种子识别定位，再用激光进行切割，并获得中国专利授权。目前，我国自主研发的种子切片相关技术已经在国家知识产权局提交 20 多项相关专利申请，其中 10 余项已经获得中国专利授权。然而，到目前为止，只有中玉金标记做出了成熟的、可以量产的高通量种子切片机。

在 2017 年第四届国际农业基因组大会上，中玉金标记公布了我国第一套商品化的玉米种子切片和挑选设备，为玉米分子育种提供了种子处理的全套技术解决方案，它包括全自动种子微创取样设备、种子挑选设备和相应的信息管理系统。种子微创取样设备可以对每一代分离群体进行种子批量取样，微创后的种子活力不受影响；通过检测微量样本获得种子的遗传信息后，玉米种子挑选设备根据种子基因型信息自动把目标种子从海量的群体中挑选出来；在管理系统中，微创种子、切片样本和基因型一一对应，可以对种植在大田中的每一株种苗进行跟踪。全自动种子切片系统与高通量分子检测技术相结合，形成一套完整的作物分子辅助选育技术方案（图 1），标志着我国分子育种在群体取样技术和目标种子挑选技术方面已经突破了“瓶颈”，达到一个新的水平。