香山科學會議綜述：學科交叉為植物染色體工程注入新活力

       安徽中醫學院中藥標本中心收藏有藥用植物蠟葉標本7萬多份，數量居全國醫藥院校之首。除一般的標本外，還有許多地道藥材和特色藥材的專題標本和珍稀瀕危的模式標本，為研究安徽和全國中藥材資源，以及普及中藥知識提供了豐富的實物資料。圖為研究人員向參觀者介紹標本中心珍藏的珍貴中藥標本。（本報記者 潘鋒 通訊員 王健/攝影）

　　隨著遺傳學和作物育種學的發展，常規染色體工程的發展正面臨一系列亟待解決的重要科學問題，在日前舉行的以“植物染色體工程和作物分子育種”為主題的第330次香山科學會議上，專家指出，分子遺傳學、基因組學以及作物分子設計育種研究的交叉和結合，將為植物染色體工程的研究注入新的活力。

　　在保障國家糧食安全中發揮重要作用

　　普通小麥染色體工程已有近80年的歷史，國內外大量研究都表明，有目的添加、削減、代換和易位同種或異種染色體或染色體片段的方法，可以有效地將栽培和野生近緣種的外源種質資源中的優異基因轉移到目標栽培作物中，創造出在遺傳學和育種研究工作中有重要利用價值的新種質，并在生產實踐中培育出有重要實用價值的農作物新品種。

　　會議執行主席、中國科學院李振聲研究員作了以《植物染色體工程研究的回顧與展望》為主題的總評述報告。李振聲說，世界糧食已經出現了一個重大的轉折，即從生產過剩時代轉入緊缺時代。一般來說，遺傳改良對糧食增產的貢獻率占30%，近10年來，全球主要糧食作物的單產增加進入爬坡階段，糧食總產增長趨于緩慢。中國作為一個有13億人口的大國，只有立足自給自足，保持糧食生產與消費的供需平衡，才能確保國家和社會長治久安。

　　李振聲表示，植物染色體工程是一門生命力旺盛的學科，有著豐富的科學內涵和系統的技術基礎。植物染色體工程研究在促進作物遺傳改良進步和保障國家糧食安全中仍將發揮重要作用，但這種潛力的發揮有賴于常規染色體工程與新興學科的交叉和結合，有賴于從事染色體工程應用研究和染色體結構和功能分析基礎研究的科學家們之間的交流和合作。

　　與會專家認為，保障國家糧食安全和作物育種進步的重大需求，是促進染色體工程基礎和應用研究發展的主要動力。當前，我國主要糧食作物單產的提高已進入緩慢的爬坡階段，我國糧食安全也正受到人口增加、耕地面積減少、全球氣候變化、國際糧食價格波動、新的病蟲害以及單產難以進一步提高等因素的挑戰，這些問題的出現必將促進染色體工程研究的發展，其研究有可能為解決上述問題提供新的線索和資源。

　　傳統小麥染色體工程已有近80年的發展歷史，取得了令人矚目的成就。我國科學家首次對來自小麥著絲粒的BAC克隆進行了DNA測序分析，揭示了小麥著絲粒區域的一些重要結構特征;在小麥和黑麥染色體工程研究方面培育出了十余個具有高產、抗病和耐逆的小麥新品種，在生產上獲得了大面積應用。我國建立了目前世界上規模最大、質量最好的水稻單染色體片段滲入系文庫;中國科學院遺傳發育所從1973年開始，經過26年的努力，建成了棉屬種間雜交育種體系。獲得了15個野生種與栽培種的雜交后代，并選育出多種不同類型的新型種質資源和7個具有高產、優質和多抗的棉花新品種。

　　傳統染色體工程的局限性

　　經過多年的研究和生產實踐，我國植物染色體工程已積累了許多寶貴的經驗。如利用染色體工程，既可以創造新作物種，又可以改造現有作物種;外源染色體小片段易位系和單臂易位系，對于改良現有作物種的作用最大;利用小黑麥和小偃麥染色體工程材料培育高產、優質、抗病耐逆和廣適小麥品種的成功率較高等。

　　但與會專家指出，傳統染色體工程研究中尚有一些亟待解決的重要科學問題。包括：傳統染色體工程無法在分子水平上跟蹤基因從供體到受體的轉移過程，因而研究帶有一定的盲目性，目的性和成功率都比較低。傳統染色體工程研究中最有效的基因轉移方式，是獲得染色體臂或小片段插入易位系，但這些外源染色體片段除攜帶有優異基因外，往往還含有連鎖的不良基因，限制了優異基因的廣泛利用。

　　傳統染色體工程還不能在全基因組水平上衡量外源基因組，或染色體片段的移入對受體種基因表達的影響，從而很難深入認識外源基因發揮作用的分子機制，也無法比較全面地在分子水平上判斷外源基因對受體代謝、生長和發育的影響。

　　傳統染色體工程研究目前對造成雜交障礙的分子機理認識尚不清楚，無法預測物種間雜交成功的幾率。在傳統染色體工程研究中，基因轉移成功與否主要依賴對雜種后代的表型鑒定來判斷，耗時、費力并易受到環境因素的影響。

　　專家認為，利用傳統染色體工程創造新物種在作物遺傳改良中應用成效不大的原因主要是，在新合成的雙二倍體物種中，新、老基因組組合帶來的遺傳變化太大，從而導致早期后代在遺傳和性狀上的不穩定。為了找到可利用的新合成的雙二倍體，必須長期地、有耐心地對其進行遺傳研究和選育出性狀優異的后代材料。因此植物染色體工程研究，在重視小片段易位系的同時，也應當繼續重視新物種的合成和利用;從事染色體工程研究的人員應當和一線育種專家緊密結合，使他們創制的材料盡快在實際育種工作中得到考察和應用。

　　分子染色體工程應運而生

　　“新興學科的發展以及作物分子設計育種的需求，必將促使染色體工程研究產生新的飛躍。”會議執行主席之一、中科院遺傳與發育生物學研究所研究員王道文說，一門充滿生機的實驗生物學科——分子染色體工程應運而生，它將為推動作物遺傳改良技術進步和保障國家糧食安全起到不可替代的作用。分子染色體工程首要解決的重大科學問題是，揭示在人工合成或優異易位系中，外源基因組或染色體片段影響作物基因組功能和重要農藝性狀的分子機理;首要解決的重大技術問題是如何高效地鑒定、跟蹤和轉移外源種中的優異基因，并使其在作物遺傳改良中發揮更大的作用。

　　結構基因組學、功能基因組學、比較基因組學以及進化基因組學的發展，使得利用分子遺傳學和基因組學知識和資源促進植物染色體工程的研究成為可能。

　　植物基因組遺傳作圖和分子標記技術的發展，提高了植物中有益基因和數量遺傳位點的發掘效率和目標基因的可跟蹤性。應用高通量分子標記和基因型鑒定技術，既可高效而系統地通過染色體工程創制外源染色體小片段滲入系，也可實現對目標基因或染色體片段在供體親本和雜種后代中染色體位置的精確定位，從而擺脫不良基因的連鎖效應。

　　功能基因組學研究技術的進步使分離外源染色體攜帶的重要基因，并為深入認識其發揮作用的分子機制提供了可能。比較基因組學的發展，將促進和深化對植物種進化關系和染色體間親緣關系的認識，從而使雜交組合的組配和外源基因的導入更有目的性和方向性。結構和功能基因組學的發展，有望為大幅度提高植物染色體工程研究的精準性和效率提供新手段。通過建立將基因組學和染色體工程研究緊密結合的小麥種質創新平臺，通過雜交、回交和分子標記輔助選擇等技術的綜合應用，可創制多個小麥重要性狀的近等基因系群體。

　　與會專家建議：為培育和保持我國分子染色體工程理論、技術和應用研究的持久創新能力，為經濟社會建設作出基礎性、前瞻性和戰略性貢獻，應加強妥善保存和繼續創新植物染色體工程基礎材料;建立規模化創制、鑒定和評價小片段易位系和滲入系的分子技術體系等方面的研究。