蔬菜优异种质挖掘与创新是推动我国蔬菜种业进步的有效途径

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1、蔬菜优异种质挖掘与创新是推动 我国蔬菜种业进步的有效途径 许勇 北京市农林科学院蔬菜研究中心 摘要：目前正处“功能基因组学”与“基因工程”研究所可能引发的第二次绿色革命，以及生物技术和 信息技术为主要特征的世界性农业科技革命的形成期，同时我国面临巨大的资源短缺、环境恶化与人I Z l 膨胀等一系列的压力与全球性蔬菜种业的竞争，蔬菜优异种质挖掘与创新是推动我国蔬菜种苗产业革命 的有效途径。在我国开展蔬菜种质挖掘与创新的相关基础研究需要统筹兼顾几方面的关系同时需要国 家科技投资与相关研究单位在优异种质挖掘的资源平台，变异种质创造，快速纯化，分子标记辅助高效 选择，特异性状的功能基因组学及生物信息学

2、等研究方面组织全国性的联台攻关。 自盘古开天地人类开始生产活动以来，就逐步由被动的利用自然物种及物种进化到主动的有目的 的选种与育种：从无理论指导的主观选择发展到受遗传学理论的指导，乃至今天能够针对某一特定 性状进行基因改造或作物品种设计。人类育种的历史证明：没有新的育种材料创新与育种技术的变革， 就不会有育成品种的飞跃。从第一次绿色革命中“矮杆”基因引入与“杂交优势”理论的应用，到目前“功 能基冈组学”与“基因工程研究所可能引发的第二次绿色革命，都无不包含着优异种质的挖掘与创新。 我国蔬菜品种的选育历史也证明了优异种质的重要性。从8 0 年代初开始，一批由我国自有资源中筛选 出来的优良骨干材

3、料，与国外引进的一批具优良性状特别是高抗病的材料，通过杂交组合与选育，利 用包含抗病育种与杂种优势利用等一系列育种技术育成了一大批蔬菜新品种，成为我国近二十多年来 蔬菜生产的主栽品种，形成了一次全国性蔬菜品种更新换代的高潮，对我国蔬菜产业的快速发展与人 民生活的提高提供了强有力的品种支撑，并且有些品种目前仍然发挥着重要的作用。 目前我国面临巨大的资源短缺、环境恶化与人口膨胀等一系列的压力，同时需要满足人民日益提 高的对无公害与高品质蔬菜的需求。鉴于蔬菜生产与产品的特殊性，蔬菜新品种的选育需要朝着“资源 高效型、环境友好型、优质高效型、品种多样型彷向发展。蔬菜优异种质挖掘与创新是推动朝着这一 方

4、向发展的有效途径。 进入新世纪，我国蔬菜新品种的数量呈对数式增加，而有突破的革命性品种却风毛鳞角。长期以 来我国蔬菜品种的商业化开发与资源基础性研究的头重脚轻态势，已经开始暴露出主要蔬菜商业品种 的遗传相似性愈来愈高，优良育种材料愈益难求的问题，从长远看将成为蔬菜良种产业化持续发展的 障碍。我国目前蔬菜科研体制与各级科研项目的立项取向是造成上述问题的深层次原因。一段时期以 来，由于市场经济的冲击与国家科研体制转轨中的某些问题，导致上至国家蔬菜专业研究所，下至民 间农民育种家都把主要精力投入到商业品种的研发上，对现有种质资源没有深入发掘，种质创新技术 的研究工作未得到应有的重视，这也是近一段时期

5、我国蔬菜育种难以有所突破、缺乏后劲的根本原因。 目前在建立蔬菜科技创新体制的同时，特别需要加强蔬菜优异种质挖掘与创新相关基础研究，打破“瓶 颈”，改变目前我国蔬菜育种的“爬坡状态，以期进入突破、创新、快速发展的轨道。 当今，一场以生物技术和信息技术为主要特征的世界性农业科技革命正在形成，推动了蔬菜种质 资源与常规育种研究向分子和基因水平深入。种质创新能力与水平已经成为一个国家和单位是否具备 发展屙劲与竞争力的主要衡量指标。上世纪5 0 7 0 年代，一些发达国家政府的直接财政投资及其对相 关基础研究的连续支持，以及通过产业化政策调控促进财团和太T 业企业对种业投资的积极性，造就 了一批强盛的蔬

6、菜种苗企业。世界上第一、第二大蔬菜种卣集团“圣尼斯”和“先正达”以及国际上( 包 括我国台湾) 几乎所有具备实力的蔬菜种苗公司，已将一批优照品种打入我国市场，国外种子公司在 中国蔬菜种苗市场上已占有一定的份额。中国已成为国际蔬菜种苗业的竞争舞台，并对我国蔬菜种业 形成了巨大的竞争压力。在这种兵临城下的国际竞争的严峻形势下，我国蔬菜种业将不进则退。沿袭 以往靠引进模仿的育种策略，将会失去竞争力，最终导致我国蔬菜种业的全线崩溃。这决不是危言耸 听，目前国内设施果菜品种与春白菜、春萝h 品种被外国公司全面击溃的现象就充分地说明了这一点。 加强蔬菜优异种质挖掘与创新研究是提高我国蔬菜种业国际竞争力的必

7、经之道。 现代分子生物学经历半个世纪的探索后，已开始在实际应用中发挥作用。以植物功能基因组学为 前沿的现代生物学技术在种质创新上的应用，带动了一套全新的育种技术与平台的建立。新技术的应 用必然带来产业的革命。目前国际种苗公司已开始在现代高新技术应用竞争中显现出强鲂势头，警示 我们必须在高新技术应用的制高点上占有一席之地，并有一定的技术储备，否则将会在今后的市场竞 争中处于被动地位。近年来，植物基因组研究取得了重大进展。通过各国科学家的通力合作，拟南芥、 水稻等模式植物已完成了全基因组测序，并已展开了大规模的功能基因组研究。在番茄等蔬菜作物的 品种分子设计上已有成功的研究范例。冈此，开展以分子生

8、物学为主体的蔬菜种质挖掘与创新研究不 仅是产业发展与国际竞争的需要，而且在技术层面上也有可行性。 开展蔬菜种质挖掘与创新的相关基础研究，在我国目前需要统筹兼顾以下几个方面：一是要考虑 蔬菜经典遗传研究基础薄弱，在选题上不能盲目照搬模式作物的研究思路，但又要善丁利用模式作物 的研究成果。二是要考虑蔬菜种类的丰富性、育种性状的多样性与特殊性，根据“有所为、有所不为” 的原则，选择具有中国传统特色又有较大影响的作物，如大白菜等，制定长远计划，重点突出，总体 跟进，开展系统、深入的研究并选择在蔬菜中特有的性状，如芸薹属作物的抽薹与结球，瓜类作物的 蔓生与性别分化等特性，进行有目的的突破，改变以往跟着大

9、作物走的老路子。三是要统筹安排，兼 顾现实与长远，特别是要针对现实生产与育种中的主要问题展开协作攻关，如：设施果菜品种的持续 结果能力、抗线虫与抗斑潜蝇、肥水高效、高营养等材料的挖掘与创新及其相关基础研究，提高种质 创新基础研究对常规育种与生产的支撑度与显示度，同时也要为自主创新的提升留有空间。四是要考 虑资源研究的大协作与信息平台的共享问题。资源研究的公益性与工作的艰巨性决定了我们在研究中 必须摈弃商业品种选育的相对保密性，同时也要完善基础性研究的知识产权的保护制度。 根据国际研究前沿与目前我国的研究现状，开展蔬菜种质挖掘与创新的相关基础研究应从以下几 个方面入手： 1 蔬菜种质资源的评价与

10、遗传分析及其主要蔬菜作物核心种质的构建，为优异种质的挖掘提供资源平 台。 我国蔬菜种质资源的收集保存工作始于上世纪6 0 年代末期，在国家资源库中已保存蔬菜种质近4 万余份，居全球第四位。北京市农林科学院蔬菜研究中心种质库保存各类蔬菜种质近3 万余份，尤其 是国外引进种质l 万余份。但是，正如遗传种质保存组织( G P C ) 所指出的，“种质资源的大规模收集 与保存在应用上并没有收到预期的效果，特别是在发展中国家”当前，一方面每年需要耗费大量的能源 和人力去保存和更新大批的资源，某些种质可能存在大量的重复保存；另一方面存在着资源种质利用 率低，培育某些新品种所需要的特殊性状的种质又相当缺乏的

11、问题。从整体看，对我国库存的蔬菜种 质资源尚缺乏系统全面深入的评价和分析，更不能高效地利用资源种质为新品种的选育服务，也无法 以合理的遗传结构保存资源。 根据目前生产与育种的需要，蔬菜种质资源研究的重点是：确定相关的主要育种性状( 重点是抗病 虫，水肥高效利用，高营养) ，开展评价方法的标准化制定与大规模筛选J 二作，在此基础上对重要性 状进行遗传分析；。将种质资源与基因组学研究相结合分析其遗传多样性，形成可以代表7 0 以上多态 性的主要蔬菜作物的核心种质，建立主要蔬菜遗传资源的分子标记多样性开放数据库，以提高种质资 源的利用价值和资源库的保存效率。 2 采用体细胞杂交、现代诱变技术及基因工

12、程技术创造新的优良变异种质：利用大小孢子培养技术快 速纯化新的变异材料，为育种提供优异种质创新的技术平台。 建立通过体细胞杂交、诱变技术及基因工程创造变异种质的研究技术体系，突破常规育种中存在 的物种间生殖隔离障碍，获得一批具创新意义的抗病虫与抗逆新种质。建立一套胞质雄性不育性状的 快速转育技术。通过对转基冈作物后续的深入研究，进一步认识外源基因在进入植物后的遗传稳定性， 以及转基因蔬菜对我国农田生态环境的影响及其相关的控制措施。在芸薹属蔬菜上，扩大小孢子培养 高频率再生植株的基因型范围，探索其遗传生理机制，进一步扩大提高其在实际育种中的应用范围与 效果，以此扩展到茄果类作物。以葫芦科瓜类作物

13、为重点，探索建立火孢子培养高效植株再生技术体 系。建立一个从变异创新到变异快速纯台的种质创新技术平台。 3 利用杂交回交等常规育种技术，结合分子标记辅助育种技术体系，为育种提供优异种质高效选择的 技术平台。 在目前常规育种技术如杂交，回交等仍然是创造新的种质的主要手段，关键是提高上述技术的准 确性与目的性，标记辅助选择技术( M A S ) 是解决这一问题的有效途径。目前，需要建立主要蔬菜作 物高通量分子标记辅助育种平台，包括分子标记分析能力平台和大规模分子标记辅助育种信息的处理 平台。完成几种主要蔬菜的高密度分子遗传图谱的构建。建立重要抗病性状的分子标记辅助选择体系， 筛选出抗病的优良品系，

14、用于配制杂交种。获得耐低温弱光、耐抽薹等抗逆性状Q T L 标记，利用标记 辅助选择，在短时间内获得抗逆性大幅度提高的品系。获得显性雄性不育基因和对应可育基因紧密连锁 的分子标记，用于纯合显性雄性不育材料的直接选择。通过紧密与常规育种相结合，基本解决常规育 种中出现的选择效率低、大群体选择困难、不良性状累赘的难题。 4 开展主要蔬菜的功能基因组学研究，为在基因组水平上揭示蔬菜重要性状的机理提供技术平台，为 下一步开展蔬菜基因改良与新品种设计奠定工作基础。 建立主要蔬菜的全长e D N A 库、B A C 库、突变体库。获得生产上重要抗性( 主要病虫害与环境逆 境) 与重要经济性状的基因表达谱。

15、建立生物信息分析技术等功能基冈组研究的技术平台。应用图位 克隆等基因克隆技术分离、克隆一批包括控制抗病、品质、植株形态等重要性状的基冈。这些研究将 为在基因组水平上揭示蔬菜抗病、抗虫、抗逆、资源高效利用、高产、优质等重要性状的机理提供技 术平台和工作基础。 5 开展蔬菜生物反应器的研究，增加蔬菜种质的新功能，提高蔬菜的附加值。 随着转基因植物技术日益成熟，利用植物的生物反应器作用，进行贵重药品、人畜疫苗和精细化 工等的生产，冈具有成本低，竞争力强的吸引力，正在成为高技术及其产业化的新兴热门领域。用蔬 菜作为生物反应器生产口服疫苗和高营养物质，不仅具有其他植物反应器其成本低廉、安全的共句特 点，

16、而且可以直接E l 服、没有毒性、亥富含维生素和纤维素。小儿腹泻和疟疾是世界上急需发展疫苗 的两种疾病，有必要开展转基因胡萝h 和生菜生物反应器表达小儿腹泻疫苗、疟疾E l 服疫苗的研究。 同时可探索转基因商赖氨酸蔬菜和富吉番茄红素等抗氧化活性物质转基因蔬菜的研究。 6 开展生物信息学研究包括广义的育种信息学与狭义的分子生物信息学，为蔬菜种质创新提供信息服 务平台。 我们生活在一个信息爆炸的年代，充分利用信息技术提升蔬菜种质创新研究的厚度与深度已是目 前刻不容缓的战略需要。生物信息学通过对基冈组、转录组、蛋白质组、代谢组、相互作用组以及表 型组等大规模生物数据的整合与分析，确定生物遗传网络的组成元件、拓扑结构和基本功能，旨在建 立定量与半定量生物系统模型，分析生物系统的动态特性，为阐明生命现象的本质提供理论依据，推 动生命科学研究成果的开发和应用。目前首先需要建立从资源收集、保存、评价到育种系谱、血缘关 系的资源与育种的信息网络系统。并做到充分的开放，减少育种上作的重复与盲目性。同时利片j 功能 基冈组学研究的大量信息，特别是模式作物的研究成果，开展比较基因