分子设计育种在棉花中的应用进展与展望

棉花是我国重要的经济作物和纺织原料,在国民经济发展中具有不可替代的地位。新中国成立以来,棉花常规育种取得了一系列重大成就。随着测序技术、多组学研究以及基因编辑技术的发展,精准、高效的分子设计育种已成为棉花育种的发展方向。文章综述了棉花生产的发展现状,回顾了育种发展历程以及棉花分子设计育种在基因组学研究、纤维发育、抗病和重要性状分子模块挖掘方面取得的进展,并展望了未来分子设计育种的发展方向和路径。     

中国作物分子育种现状与展望

分子育种是现代农业发展应用推广最迅速的育种新技术,对作物遗传改良产生了深远的影响。国际农作物育种已经进入分子育种时代,以DNA重组技术和基因组编辑技术等为代表的现代生物技术已成为世界上作物遗传改良的重要手段。本综述简要介绍了国际分子育种发展趋势,并对中国作物分子育种现状和国家相关政策导向、集成创新、科研管理体制、生物种业发展和人才现状等方面进行了分析,以期为中国农业和科技管理部门、生物技术工作者、育种家和种子企业提供参考。     

作物分子设计育种

优质、多抗、抗逆和高产作物新品种的选育和推广是实现我国粮食安全的重要途径。目前大多数育种工作仍然建立在表型选择和育种家的经验之上,育种效率低下;另一方面,生物信息数据库积累的数据量极其庞大,由于缺乏必要的数据整合技术,可资育种工作者利用的信息却非常有限。作物分子设计育种将在多层次水平上研究植物体所有成分的网络互作行为和在生长发育过程中对环境反应的动力学行为;继而使用各种“组学”数据,在计算机平台上对植物体的生长、发育和对外界反应行为进行预测;然后根据具体育种目标,构建品种设计的蓝图;最终结合育种实践培育出符合设计要求的农作物新品种。设计育种的核心是建立以分子设计为目标的育种理论和技术体系,通过各种技术的集成与整合,对生物体从基因（分子）到整体（系统）不同层次进行设计和操作,在实验室对育种程序中的各种因素进行模拟、筛选和优化,提出最佳的亲本选配和后代选择策略,实现从传统的“经验育种”到定向、高效的“精确育种”的转化,以大幅度提高育种效率。     

第二届植物分子育种国际学术研讨会

现代农业已经发展到了“分子农业”时代，基因工程、转基因技术等分子生物学手段广泛应用于植物的遗传育种，基因组学的研究成为植物基因资源发掘的基本科学平台，分子育种成为植物育种的最主要手段之一。为加强与国际植物分子育种领域的合作与交流，推动应用基因与组学植物分子育种科学的发展。The Generation Challenge Programme（全球挑战计划）、中国农业科学院等单位发起定于2007年3月23—27日在海南省三亚市举办“第二届植物分子育种国际学术研讨会”。     

第二届植物分子育种国际学术研讨会 2007年3月23-27日在海南省三亚市召开

现代农业已经发展到了“分子农业”时代，基因工程、转基因技术等分子生物学手段广泛应用于植物的遗传育种，基因组学的研究成为植物基因资源发掘的基本科学平台，分子育种成为植物育种的最主要手段之一。为加强与国际植物分子育种领域的交流与合作，加速我国分子育种成果的产业化进程，推动应用基因与组学植物分子育种科学的发展，促进领域人才成长，经中国科学技术协会批准，中国农学会定于2007年3月23-27日在海南省三亚市举办“第二届植物分子育种国际学术研讨会”。     

第二届植物分子育种国际学术研讨会

现代农业已经发展到了“分子农业”时代，基因工程、转基因技术等分子生物学手段广泛应用于植物的遗传育种，基因组学的研究成为植物基因资源发掘的基本科学平台，分子育种成为植物育种的最主要手段之一。为加强与国际植物分子育种领域的合作与交流，推动应用基因与组学植物分子育种科学的发展。The Generation Challenge Programme（全球挑战计划）、中国农学会、中国农业科学院等单位发起定于2007年3月23-27日在海南省三亚市举办“第二届植物分子育种国际学术研讨会”。     

第二届植物分子育种国际学术研讨会

现代农业已经发展到了“分子农业”时代,基因工程、转基因技术等分子生物学手段广泛应用于植物的遗传育种,基因组学的研究成为植物基因资源发掘的基本科学平台,分子育种成为植物育种的最主要手段之。为加强与国际植物分子育种领域的交流与合作,加速我国分子育种成果的产业化进程,推动应用基因与组学植物分了育种科学的发展,促进本领域人才成长,经中国科学技术协会批准,中国农学会定于2007年3月27-30日在海南省三亚市举办“第二届植物分子育种国际学术研讨会”。     

第二届植物分子育种国际学术研讨会 2007年3月23-27日在海南省三亚市召开

现代农业已经发展到了“分子农业”时代，基因工程、转基因技术等分子生物学手段广泛应用于植物的遗传育种，基因组学的研究成为植物基因资源发掘的基本科学平台，分子育种成为植物育种的最主要手段之一。为加强与国际植物分子育种领域的合作与交流，推动应用基因与组学植物分子育种科学的发展。The Generation Challenge Programme（全球挑战计划）、中国农学会、中国农业科学院等单位发起定于2007年3月23—27日在海南省三亚市举办“第二届植物分子育种国际学术研讨会”。     

植物矮生性状的分子遗传研究进展

近年来,随着分子生物学和基因组学的飞速发展,对作物高产性状,高产机理及其相关基因的研究愈加深入,应用基因工程技术对作物进行遗传改良已成为提高作物产量的有效途径,培育理想株型已成为作物育种的重要目标。株高是高等作物的重要农艺性状之一,植株过高容易引起倒伏而减产,而矮生植株抗倒能力强,高产,因而矮化育种对培育理想株型十分重要,矮生基因的发掘研究和利用也越来越受到重视。本文综述了目前高等作物矮生性的分子遗传研究进展,特别是对水稻、小麦、玉米、黄瓜、西瓜和番茄等主要作物矮生性状的遗传特点、分子标记、矮生基因的克隆等方面的研究进展做了较为详细的总结和评价,分析了激素对高等植物矮生突变体的调控,提出了高等植物矮生资源的利用和矮化育种中存在的问题,并探讨了高等植物矮生性状分子遗传学研究和分子育种的发展趋势。     

中国作物分子设计育种

分子设计育种通过多种技术的集成与整合,对育种程序中的诸多因素进行模拟、筛选和优化,提出最佳的符合育种目标的基因型以及实现目标基因型的亲本选配和后代选择策略,以提高作物育种中的预见性和育种效率,实现从传统的“经验育种”到定向、高效的“精确育种”的转化。分子设计育种主要包含以下3个步骤：(1)研究目标性状基因以及基因间的相互关系,即找基因(或生产品种的原材料),这一步骤包括构建遗传群体、筛选多态性标记、构建遗传连锁图谱、数量性状表型鉴定和遗传分析等内容;(2)根据不同生态环境条件下的育种目标设计目标基因型,即找目标(或设计品种原型),这一步骤利用已经鉴定出的各种重要育种性状的基因信息,包括基因在染色体上的位置、遗传效应、基因到性状的生化网络和表达途径、基因之间的互作、基因与遗传背景和环境之间的互作等,模拟预测各种可能基因型的表现型,从中选择符合特定育种目标的基因型;(3)选育目标基因型的途径分析,即找途径(或制定生产品种的育种方案)。本文评述近几年来我国在遗传研究材料创新、重要性状遗传分析、育种模拟工具开发和应用、设计育种实践、分子设计育种技术体系建设等方面取得的重要进展,结合国内外研究现状对分子设计育种的未来进行展望,最后指出我国近期应加强育种预测方法和工具、基因和环境互作、遗传交配设计、作物功能基因组学、生物信息学方法和工具、设计育种技术体系和决策支持平台等领域的研究,同时重视人才培养和团队建设。     

Wheat breeding assisted by markers: CIMMYT’s experience

Significant progress has been made in the characterization of loci controlling traits of importance using molecular markers. A number of markers are currently available in wheat for genes of interest to the breeders. Markers can be used to better characterize parental material, thereby improving the efficiency and effectiveness of parental selection for crossing and to track genes in segregating progenies through the selection process. Although a number of breeding programs are using molecular markers at modest levels, the costs associated with marker assisted selection (MAS) are frequently cited as the main constraint to their wide-spread use by plant breeders. However, this is likely to change when user-friendly, high-throughput, automated marker technologies based on single nucleotide polymorphisms become available. These evolving technologies will increase the number of available markers, and will improve the efficiency, throughput, and cost effectiveness of MAS, thereby making it more attractive and affordable to many breeding programs. This article examines the extent to which molecular markers have been used at the International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT) in applied wheat breeding and reviews the limited publicly available information on MAS from other wheat breeding programs. As markers are currently available for relatively few traits, we believe that MAS must be integrated with ongoing conventional breeding to maximize its impact. When used in tandem with phenotypic selection, MAS will improve response to selection for certain traits, thereby increasing rates of genetic progress.     

Genetic progress of upland rice (Oryza sativa L.) lines for disease resistance

The rice crop is affected by diseases throughout its cycle, impacting negatively on grain yield and quality. The control of the disease impact can be accomplished via crop breeding, using highly multiple resistant genotypes. This study aimed to evaluate the efficiency of multiple-character and specific selection of multiple resistance to major culture-associated diseases (neck blast, leaf scald and grain discoloration) in rice lines of the Upland Rice Genetic Breeding Program. The experiments were conducted in 35 sites during 12 agricultural years, where 124 lines were evaluated for the severity of fungal diseases, under natural field conditions. Multiple parameters were calculated based on the diseases´ scores: genetic, phenotypic and environmental variances, heritability, selection gain, renewal rate, and genetic and renewal progress. Genetic variance for the disease resistance was identified in the population, and the selection gain for multiple-character selection was of 3.16 year⁻¹ throughout the breeding process with a renewal rate of over 35%. The programme has showed efficiency in selecting multiple resistant genotypes to the mentioned diseases, highlighting genotypes with high potential for market release.     

性状相关的分子标记在甘蔗分子育种中的应用研究

分子设计育种在农作物品种改良中发挥了重要作用,但由于甘蔗基因组庞大且高度杂合,染色体呈非整倍性,导致其性状相关的分子标记辅助育种进展十分缓慢。为加快甘蔗育种进程,提高其育种效率和准确性,简述了甘蔗分子标记辅助育种现状及其瓶颈,并总结了应用于甘蔗的分子标记种类及其问题,阐明分子标记在甘蔗遗传连锁图谱构建中的作用,进而从甘蔗产量和糖分性状相关QTL的定位、主要抗病基因（抗褐锈病基因、抗黑穗病和抗黄斑病基因）的定位及其在抗病分子育种上的应用,以及关联分析方法在甘蔗重要性状研究中的应用等方面对性状相关的分子标记进行综述。最后对甘蔗重要性状相关分子标记辅助育种的机遇和挑战进行了展望,为甘蔗分子育种的深入研究提供理论依据。     

Genomic selection and enablers for agronomic traits in maize (Zea mays): A review

Maize is a commodity crop providing millions of people with food, feed, industrial raw material and economic opportunities. However, maize yields in Africa are relatively stagnant and low, at a mean of 1.7 t ha⁻¹ compared with the global average of 6 t ha⁻¹. The yield gap can be narrowed with accelerated and precision breeding strategies that are required to develop and deploy high-yielding and climate-resilient maize varieties. Genomic and phenotypic selections are complementary methods that offer opportunities for the speedy choice of contrasting parents and derived progenies for hybrid breeding and commercialization. Genomic selection (GS) will shorten the crop breeding cycle by identifying and tracking desirable genotypes and aid the timeous commercialization of market-preferred varieties. The technology, however, has not yet been fully embraced by most public and private breeding programmes, notably in Africa. This review aims to present the importance, current status, challenges and opportunities of GS to accelerate genetic gains for economic traits to speed up the breeding of high-yielding maize varieties. The first section summarizes genomic selection and the contemporary phenotypic selection and phenotyping platforms as a foundation for GS and trait integration in maize. This is followed by highlights on the reported genetic gains and progress through phenotypic selection and GS for grain yield and yield components. Training population development, genetic design and statistical models used in GS in maize breeding are discussed. Lastly, the review summarizes the challenges of GS, including prediction accuracy, and integrates GS with speed breeding, doubled haploid breeding and genome editing technologies to increase breeding efficiency and accelerate cultivar release. The paper will guide breeders in selection and trait introgression using GS to develop cultivars preferred by the marketplace.     

Using molecular markers and field performance data to characterize the Pee Dee cotton germplasm resources

Knowledge of genetic relationships in crop breeding programs provides valuable information that can be used by plant breeders as a parental line selection tool. In Upland cotton (Gossypium hirsutum L.), the Pee Dee germplasm program represents one of the most historically significant Upland cotton breeding programs and is known as a key source of fiber quality genes for commercial cultivars. The foundation of the Pee Dee germplasm is known to represent an array of genetic diversity involving the hybridization of G. hirsutum L., G. barbadense L., and triple hybrid strains (G. arboreum L. × G. thurberi Todaro × G. hirsutum L.). In this study, we characterized genetic relationships within the Pee Dee germplasm collection using molecular marker and field performance data. Molecular marker and field performance data showed the Pee Dee germplasm collection still maintains useful amounts of genetic diversity. The methods described provide plant breeders of cotton and other crops a strategy to develop a parental line selection tool based on genotypic and phenotypic information. Cotton breeders can directly use the information provided to select specific Pee Dee germplasm parental line combinations based on genotypic (molecular marker) and phenotypic (field performance) information rather than relying on pedigree and phenotypic information alone.     

大豆分子育种现状、挑战与展望

近年来,大豆育种技术取得了重要进展,育种理论和技术也发生了重大变革。通过多种技术的集成与整合,加速了优质大豆培育进程,以分子标记辅助育种、转基因育种等技术逐渐成为大豆遗传改良的重要手段。本研究综述了大豆分子标记辅助育种、大豆转基因及分子设计育种的研究进展,分析了中国大豆分子育种现状和挑战,认为中国大豆分子育种存在优异基因资源匮乏,大豆分子育种技术方法相对落后,分子育种培育的突破性品种过少等问题,提出了未来要加强重要经济性状形成的遗传和分子基础研究,要重视加强多种模型的开发等几点建议。     

Crop breeding for salt tolerance in the era of molecular markers and marker‐assisted selection

Crop salt tolerance (ST) is a complex trait affected by numerous genetic and non‐genetic factors, and its improvement via conventional breeding has been slow. Recent advancements in biotechnology have led to the development of more efficient selection tools to substitute phenotype‐based selection systems. Molecular markers associated with genes or quantitative trait loci (QTLs) affecting important traits are identified, which could be used as indirect selection criteria to improve breeding efficiency via marker‐assisted selection (MAS). While the use of MAS for manipulating simple traits has been streamlined in many plant breeding programmes, MAS for improving complex traits seems to be at infancy stage. Numerous QTLs have been reported for ST in different crop species; however, few commercial cultivars or breeding lines with improved ST have been developed via MAS. We review genes and QTLs identified with positive effects on ST in different plant species and discuss the prospects for developing crop ST via MAS. With the current advances in marker technology and a better handling of genotype by environment interaction effects, the utility of MAS for breeding for ST will gain momentum.     

番茄耐盐分子育种研究进展

土壤盐渍化是一个世界性问题,其中由于过量施用化肥,造成土壤尤其是蔬菜保护地次生盐渍化已是一个极其严重的现象,常障碍蔬菜作物的生长、发育,导致大幅度减产,产品品质下降。虽然作物耐盐新品种的选育,一直是国内外研究的重点,但对于番茄而言,普通栽培种一般表现对盐中度敏感。目前还尚未有很明确的生理生化指标,可供育种者直接进行番茄耐盐性的鉴定,番茄耐盐机理的明确,有助于相关指标的获得。研究业已表明,番茄耐盐受QTLs控制,遗传较为复杂,影响番茄耐盐的QTL在不同生长发育的阶段也不相同。因此育种难度较大。番茄在芽期和苗期对盐害最敏感,随着株龄的增加,耐盐性也增强,而影响番茄芽期和苗期的耐盐性为少数QTLs控制,且效应较大,因此开发芽期和苗期耐盐QTLs对于番茄耐盐育种意义较大。另外,耐盐QTLs还包括组成型和非组成型两种,控制番茄耐盐的组成型或非特异QTL对耐盐性贡献较大。部分野生资源材料及个别栽培种表现出一定程度的耐盐性,为番茄耐盐育种提供了可能。利用分子标记及生物工程技术深入挖掘这些材料,可加速番茄耐盐遗传改良。本文就番茄耐盐筛选方法、耐盐资源材料,耐盐QTL定位及利用分子标记辅助选育和基因工程等手段改良番茄耐盐新品种进行了综述。