学科交叉为植物染色体工程注入新活力

随着遗传学和作物育种学的发展，常规染色体工程的发展正面临一系列亟待解决的重要科学问题，在日前举行的以“植物染色体工程和作物分子育种”为主题的第330次香山科学会议上，专家指出，分子遗传学、基因组学以及作物分子设计育种研究的交叉和结合，将为植物染色体工程的研究注入新的活力。

在保障国家粮食安全中发挥重要作用

普通小麦染色体工程已有近80年的历史，国内外大量研究都表明，有目的添加、削减、代换和易位同种或异种染色体或染色体片段的方法，可以有效地将栽培和野生近缘种的外源种质资源中的优异基因转移到目标栽培作物中，创造出在遗传学和育种研究工作中有重要利用价值的新种质，并在生产实践中培育出有重要实用价值的农作物新品种。

会议执行主席、中国科学院李振声研究员作了以《植物染色体工程研究的回顾与展望》为主题的总评述报告。李振声说，世界粮食已经出现了一个重大的转折，即从生产过剩时代转入紧缺时代。一般来说，遗传改良对粮食增产的贡献率占30%，近10年来，全球主要粮食作物的单产增加进入爬坡阶段，粮食总产增长趋于缓慢。中国作为一个有13亿人口的大国，只有立足自给自足，保持粮食生产与消费的供需平衡，才能确保国家和社会长治久安。

李振声表示，植物染色体工程是一门生命力旺盛的学科，有着丰富的科学内涵和系统的技术基础。植物染色体工程研究在促进作物遗传改良进步和保障国家粮食安全中仍将发挥重要作用，但这种潜力的发挥有赖于常规染色体工程与新兴学科的交叉和结合，有赖于从事染色体工程应用研究和染色体结构和功能分析基础研究的科学家们之间的交流和合作。

与会专家认为，保障国家粮食安全和作物育种进步的重大需求，是促进染色体工程基础和应用研究发展的主要动力。当前，我国主要粮食作物单产的提高已进入缓慢的爬坡阶段，我国粮食安全也正受到人口增加、耕地面积减少、全球气候变化、国际粮食价格波动、新的病虫害以及单产难以进一步提高等因素的挑战，这些问题的出现必将促进染色体工程研究的发展，其研究有可能为解决上述问题提供新的线索和资源。

传统小麦染色体工程已有近80年的发展历史，取得了令人瞩目的成就。我国科学家首次对来自小麦着丝粒的BAC克隆进行了DNA测序分析，揭示了小麦着丝粒区域的一些重要结构特征；在小麦和黑麦染色体工程研究方面培育出了十余个具有高产、抗病和耐逆的小麦新品种，在生产上获得了大面积应用。我国建立了目前世界上规模最大、质量最好的水稻单染色体片段渗入系文库；中国科学院遗传发育所从1973年开始，经过26年的努力，建成了棉属种间杂交育种体系。获得了15个野生种与栽培种的杂交后代，并选育出多种不同类型的新型种质资源和7个具有高产、优质和多抗的棉花新品种。

传统染色体工程的局限性

经过多年的研究和生产实践，我国植物染色体工程已积累了许多宝贵的经验。如利用染色体工程，既可以创造新作物种，又可以改造现有作物种；外源染色体小片段易位系和单臂易位系，对于改良现有作物种的作用最大；利用小黑麦和小偃麦染色体工程材料培育高产、优质、抗病耐逆和广适小麦品种的成功率较高等。

但与会专家指出，传统染色体工程研究中尚有一些亟待解决的重要科学问题。包括：传统染色体工程无法在分子水平上跟踪基因从供体到受体的转移过程，因而研究带有一定的盲目性，目的性和成功率都比较低。传统染色体工程研究中最有效的基因转移方式，是获得染色体臂或小片段插入易位系，但这些外源染色体片段除携带有优异基因外，往往还含有连锁的不良基因，限制了优异基因的广泛利用。

传统染色体工程还不能在全基因组水平上衡量外源基因组，或染色体片段的移入对受体种基因表达的影响，从而很难深入认识外源基因发挥作用的分子机制，也无法比较全面地在分子水平上判断外源基因对受体代谢、生长和发育的影响。

传统染色体工程研究目前对造成杂交障碍的分子机理认识尚不清楚，无法预测物种间杂交成功的几率。在传统染色体工程研究中，基因转移成功与否主要依赖对杂种后代的表型鉴定来判断，耗时、费力并易受到环境因素的影响。

专家认为，利用传统染色体工程创造新物种在作物遗传改良中应用成效不大的原因主要是，在新合成的双二倍体物种中，新、老基因组组合带来的遗传变化太大，从而导致早期后代在遗传和性状上的不稳定。为了找到可利用的新合成的双二倍体，必须长期地、有耐心地对其进行遗传研究和选育出性状优异的后代材料。因此植物染色体工程研究，在重视小片段易位系的同时，也应当继续重视新物种的合成和利用；从事染色体工程研究的人员应当和一线育种专家紧密结合，使他们创制的材料尽快在实际育种工作中得到考察和应用。

分子染色体工程应运而生

“新兴学科的发展以及作物分子设计育种的需求，必将促使染色体工程研究产生新的飞跃。”会议执行主席之一、中科院遗传与发育生物学研究所研究员王道文说，一门充满生机的实验生物学科--分子染色体工程应运而生，它将为推动作物遗传改良技术进步和保障国家粮食安全起到不可替代的作用。分子染色体工程首要解决的重大科学问题是，揭示在人工合成或优异易位系中，外源基因组或染色体片段影响作物基因组功能和重要农艺性状的分子机理；首要解决的重大技术问题是如何高效地鉴定、跟踪和转移外源种中的优异基因，并使其在作物遗传改良中发挥更大的作用。

结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学以及进化基因组学的发展，使得利用分子遗传学和基因组学知识和资源促进植物染色体工程的研究成为可能。

植物基因组遗传作图和分子标记技术的发展，提高了植物中有益基因和数量遗传位点的发掘效率和目标基因的可跟踪性。应用高通量分子标记和基因型鉴定技术，既可高效而系统地通过染色体工程创制外源染色体小片段渗入系，也可实现对目标基因或染色体片段在供体亲本和杂种后代中染色体位置的精确定位，从而摆脱不良基因的连锁效应。

功能基因组学研究技术的进步使分离外源染色体携带的重要基因，并为深入认识其发挥作用的分子机制提供了可能。比较基因组学的发展，将促进和深化对植物种进化关系和染色体间亲缘关系的认识，从而使杂交组合的组配和外源基因的导入更有目的性和方向性。结构和功能基因组学的发展，有望为大幅度提高植物染色体工程研究的精准性和效率提供新手段。通过建立将基因组学和染色体工程研究紧密结合的小麦种质创新平台，通过杂交、回交和分子标记辅助选择等技术的综合应用，可创制多个小麦重要性状的近等基因系群体。

与会专家建议：为培育和保持我国分子染色体工程理论、技术和应用研究的持久创新能力，为经济社会建设作出基础性、前瞻性和战略性贡献，应加强妥善保存和继续创新植物染色体工程基础材料；建立规模化创制、鉴定和评价小片段易位系和渗入系的分子技术体系等方面的研究。