分子模块设计育种技术在玉米育种中的应用及前景展望

我国玉米分子模块设计育种的前景展望

玉米是我国最重要的禾谷类作物之一，在我国农业资源不断减少，而人们对优质玉米需求不断增加的情况下，依靠科技创新大力发展玉米育种事业刻不容缓。由于玉米的重要农艺性状包括抗逆性、产量及品质等都是多基因控制的复杂性状，针对这些复杂农艺性状，分子标记辅助育种以及转基因技术由于仅局限于单个或几个基因的遗传改良，已不能满足当前玉米生产对优良新品种的需求；而新型的育种模式——分子模块设计育种将现代信息技术和育种工作相结合，能够将控制玉米复杂农艺性状的多个有效模块聚合，提高改良育种效率，为保障我国粮食安全提供有力的理论和技术支撑。可以预见，随着测序技术和大数据的发展，在未来的玉米遗传育种中，分子模块设计育种必将持续发挥领军作用，其中亟待解决的问题主要包括 3 个方面。

分子模块的挖掘及调控网络的解析

在过去的几十年里，人们已挖掘并鉴定了一大批与玉米重要农艺性状密切相关的功能基因和 QTL 位点，包括持绿耐旱性、籽粒品质、株型以及抗病性等各个方面。但是关于这些重要农艺性状的分子模块网络并不完全清楚，这极大阻碍了基于分子模块调控的玉米遗传改良。随着全基因组测序技术的不断发展和更新，较低的测序成本和高通量的测序数据使得大规模挖掘控制玉米复杂性状的基因信息成为了可能——很多的玉米骨干自交系已完成测序，有关玉米的生物信息学数据库的数据大幅增加；同时，转录组测序、蛋白质组测序和基因芯片等功能基因组研究平台和玉米突变体库的构建，为深入研究玉米相关功能基因的调控网络打下了良好的基础。今后还需要借助分子生物学、基因组学以及表观修饰等技术，深入探索玉米复杂农艺性状的遗传基础及调控网络。

高通量表型的精准检测和利用

表型是基因型和环境型相互作用的结果，高效、准确的表型检测和分析是玉米生产育种中十分关键的环节，也是优良品种筛选、精准育种的先决条件。随着测序技术的提高，玉米基因组学、蛋白质组学及代谢组学等快速发展，而由于玉米表型的高度复杂性和传统表型鉴定技术的限制，导致玉米表型组学研究相对滞后，也使得相当一部分基因组信息无法被充分利用。因此，发展先进的表型鉴定技术、搭建高通量表型检测平台成为了必然。国内外大型企业及科研机构先后在人工气候或大田等不同环境条件下建立了各种重要农艺性状的表型鉴定平台，可以自动化收集表型数据。在未来的农业生产中，如何利用先进的高通量表型检测技术和平台精准收集表型数据信息，并与基因组学等多学科技术相结合，深入挖掘与玉米重要农艺性状密切相关的分子模块，以促进玉米高通量遗传育种将是今后人们关注的重点，也是实现玉米复杂农艺性状改良的理论基础。

多学科的交叉与融合

玉米分子模块设计育种作为一个多学科的集合与交叉，是一项高度综合的系统工程，需要将基因组学、表型组学、计算生物学、系统生物学和合成生物学相结合，对控制玉米复杂农艺性状的分子模块进行解析、组装、耦合，并进行新型品种的分子设计和培育。但值得注意的是，目前我国玉米育种队伍比较分散，研究缺乏持续性和系统性。因此，在今后的育种工作中需要高度整合资源，加强多学科交叉和共性技术集成以加强玉米分子育种平台的建设，完善和促进玉米分子模块设计育种体系。利用分子模块设计育种技术无疑能够全面解析控制玉米复杂农艺性状的重要分子模块，通过多模块的耦合和组装模拟，实现复杂性状的定向改良，培育高产优质的玉米新品系。

我国是农业大国，玉米的持续稳定生产对于保障我国农业可持续发展和国家粮食安全具有重大的现实和战略意义。在过去的几十年里，我国玉米育种取得了举世瞩目的成绩，总产不断上升，但是单产相对较低。将分子模块设计育种充分应用到玉米育种工作中，是将分子生物学前沿知识与生产育种实践的紧密结合，对于玉米育种的发展，特别是对于玉米复杂性状的遗传改良具有重要的引领作用。玉米分子模块设计育种创新体系的建立，将有助于提升我国农作物育种的技术水平，实现从“经验育种”向“精准育种”的转化，加速我国玉米新品种的选育进程。（作者：郝怀庆 刘丽丽 姚远 冯雪 李志刚 晁青 夏然 刘宏涛 王柏臣 秦峰 谢旗 景海春 中国科学院植物研究所北京 中国科学院重大科技任务局北京 中国科学院遗传与发育生物学研究所北京中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所上海 中国农业大学生物学院北京《中国科学院院刊》供稿）