近日，中國種子集團有限公司生命科學技術中心通過了企業(yè)國家重點實驗室評定。早有耳聞，以生物信息為依據，以高通量分子標記篩選為手段，分段式工廠化流水線的生物育種技術——基因組育種是該中心的“王牌”，而這項技術的核心之一竟是一塊小小的芯片。本期《前沿》帶您走進中國種子生命科學技術中心，探尋其中的奧秘。
育種芯片——篩選優(yōu)化基因
每一張育種芯片都比一塊電腦內存條還要小，8厘米長，2.5厘米寬，厚度不到0.2厘米。芯片的一端貼著一塊帶編號的條碼，在貼條碼的一面上，隱約可以看到兩排每排12個泛著光的長方形“小方塊”，每個“小方塊”的大小不到0.1平方厘米。“每一個‘小方塊’就對應著一個被檢測樣品，一塊芯片可以同時檢測24個樣品。”中國種子生命科學技術中心基因組育種部邱樹青拿起一張育種芯片說，“針對每一個樣品，每次可以檢測近7萬個高質量基因標記位點。”
2000年人類基因組測序完成標志著人類生物技術研究邁進基因時代，2005年在植物領域，水稻全基因組測序也隨即完成，這為科學家研究生物性狀奠定了科學基礎。“以前，傳統(tǒng)育種是根據田間植物形態(tài)和農藝性狀的表現來篩選親本，將高產優(yōu)質的親本和抗病抗蟲的親本進行雜交，在后代中通過大群體多年多地點篩選性狀表現好的植株，不斷繁殖鑒定，培育出高產抗病蟲的品種。這種篩選依靠植物的田間表現和育種家的經驗，需要世代累積才能尋求最佳植株，工作強度大，非常辛苦。育種家只觀察植株各個性狀的表現，不知道性狀是由什么基因控制的，傳統(tǒng)篩選方法的效率和可靠性都有待進一步提升。”基因組育種部總監(jiān)周發(fā)松告訴記者，“通過育種芯片可以了解影響各個性狀的基因，從而進行精準篩選和性狀優(yōu)化。如果能篩選出最好的基因組合，就為培育出理想的品種組合創(chuàng)造了技術條件。”
傳統(tǒng)育種手段里，育種家通過觀察和經驗來預測作物帶有的不同基因，而隨著基因技術的發(fā)展和育種芯片的不斷完善，基因的神秘面紗正在被揭開，育種家們也迎來了基因育種的新時代。通過科學手段去了解鑒定各個親本資源所攜帶的優(yōu)良基因，將最優(yōu)良的基因組合在一起，培育出最理想的作物新品種，成為了整個中心共同努力的目標。
以往育種家根據作物的田間表現進行判斷，能觀察到的性狀很有限，而且并不是所有的性狀都能觀察得到。“以水稻為例，田間能觀察到的性狀只有20多個，而水稻有3萬多個主要基因和6萬多個可能的基因，傳統(tǒng)育種手段觀察到的只是冰山一角。”周發(fā)松說，“育種芯片的作用就是把科學家對功能基因組的研究成果轉換成育種工具。”
分子標記篩選——一次檢測成百上千指標
談到育種芯片的作用，邱樹青這樣比喻：就像做抽血化驗，以前抽一次血只能檢測一兩個指標，而如今化驗一次可以檢測成百上千個指標。育種芯片通過高通量分子標記篩選技術極大地加快了育種中個體植株性狀的檢測速度，傳統(tǒng)育種方式就像中醫(yī)一樣，通過“望聞問切”等方式查看和篩選植株，而育種芯片可以通過基因檢測，從大量后代中迅速找出優(yōu)秀植株，從而縮短育種時間。
“育種芯片是檢測工具，幫助育種家快速排除95%以上的非目標單株，節(jié)約了資源，提高了效率。這樣培育一個新品種只需要3至5年的時間。”基因組育種部喻輝輝說，“與傳統(tǒng)育種方式一樣，雜交回交等產生新后代的方法還是不變的。”
通過育種芯片的檢測，可以對種質資源進行快速分析和篩選，從而得到具有高產、抗病、高肥效、優(yōu)質等基因的不同種質資源。通過對種質資源的綜合分析和考量后，可以篩選出具有多數優(yōu)良基因的資源材料做親本。選出親本后的下一步就是雜交，通過育種芯片，科學家可以選定雜交后代中帶有更多優(yōu)良基因的植株。由于育種芯片檢測的對象是基因，所以雜交后代不需要等待植株經過漫長的生長階段，在種子上或者幼苗的葉子上取點樣品，就能進行基因檢測了。這樣一來可以提前至少半年時間，更重要的是極大地提高了檢測效率。
人無完人，品種里也沒有十全十美的品種，而木桶效應在育種上表現得格外明顯。產量高、品質好的品種，卻因為對一種病害或一種蟲害缺乏抵抗力而出現減產或絕收的情況時有發(fā)生；產量不高卻對某一病害或蟲害有著得天獨厚抵抗力的品種也是“大有人在”。全基因組育種芯片讓只改變單一性狀的精準育種成為可能，育種家們可以精心打磨已經育成的品種，力爭早日培育出多抗、優(yōu)質、高產、高肥效、重金屬低吸附的資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色超級作物新品種。
從種質資源篩選到新品種選育，從品種特性檢測到品種真實性檢測，基因這張“身份證”一直伴隨著每一粒種子、每一棵植株，有了育種芯片，就可以迅速“認出”每一粒水稻。
流水線育種——實現專業(yè)化分工
有人曾做過這樣一個比喻：從事農作物育種研究的有兩種人，一種叫漢子，另一種叫女漢子。面朝黃土背朝天，南繁北育如飛雁，恰是育種工作者們生活的真實寫照。走在中心的大樓里，看到在辦公室里電腦前的、實驗室操作臺前的忙碌著的工作人員們，絲毫看不到他們身上的“鄉(xiāng)土氣息”，這里沒有皮膚黝黑、臉上帶著兩片“高原紅”的莊稼漢更沒有女漢子。
“分段式育種流水線的建立，把整個育種過程分成了多個環(huán)節(jié)，實現了專業(yè)化分工。”周發(fā)松說，“每個工作人員只需要專注于自己擅長的一個技術環(huán)節(jié)，不像傳統(tǒng)育種方式那樣，育種家必須掌握和參與所有的育種技術環(huán)節(jié)，更不用整年風吹日曬。”以往由于從事育種工作需要長期在田間風吹日曬雨淋，所以女性工作者很少，如今的基因組育種，大部分工作都是在實驗室和溫室內完成，這讓作物育種這個領域不再“陽盛陰衰”。
周發(fā)松把以往的育種家比喻為畫家，繪畫作品創(chuàng)作到一半時別人是很難繼續(xù)完成的，風格也很難保持一致；而如今商業(yè)化育種體系下，分段式流水線育種上的工作人員更像是工廠里制造不同元件的工匠。傳統(tǒng)育種手段下，育種家們日復一日、年復一年的積累經驗和育種材料，以師傅帶徒弟的方式組建團隊，難以形成規(guī)模，也沒有條件構建現代化的生物技術平臺，整合利用多學科領域的最新研究成果。而且，單個育種家的調動或離開會對整個團隊乃至團隊所在的企業(yè)產生巨大的影響。
育種芯片的出現，實現了分段式流水線育種體系的建立，育種工作者也從此進入專業(yè)化分工時代，不再需要擔心單個工作人員的變動，各個環(huán)節(jié)的成果更是可以分享和共享的。每個育種家都可以竭盡全力專注于自己最擅長的那部分，為新品種培育不斷提供優(yōu)質的中間材料。
“育種方案制定、種質資源收集、親本配組、全基因組與分子標記輔助選擇、優(yōu)系測配篩選、產品測試等等，都是商業(yè)化育種鏈條中的一個環(huán)節(jié)，品種是這一過程的唯一出口，這樣一來各個環(huán)節(jié)所在的各個部門就可以借助信息系統(tǒng)有機的協(xié)調起來。”資源管理部總監(jiān)彭俊華說，“從商業(yè)管理的角度而言，做種質資源的人、做基因組測序的人和做田間試驗的人不涉足新品種培育，育種工作只由育種家來統(tǒng)籌，一定要分工明確，權責清晰。這些都是不同的手段或支撐平臺，各司其職通力協(xié)作才能高效培育出好品種。”
脅迫環(huán)境——模擬病蟲害發(fā)生
中國種子生命科學技術中心二樓的一個培養(yǎng)室內，一位名叫陳美娟的工作人員正在查看罩在塑料膜里的一盆水稻，在她身旁恒溫箱里擺放著一盒盒長滿真菌的培養(yǎng)皿。這名工作人員正在查看記錄感染稻瘟病水稻的生長情況。在距實驗樓不遠的空地上，立著一座座溫室大棚，其中一個栽培池里所種的水稻卻都長得不好，除了幾株依然“堅挺”的水稻外，其余已經被蟲子蛀得枯黃。
“這些水稻正在進行抗稻飛虱試驗。”邱樹青向記者解釋道，“育種芯片檢測后，還要進行大田模擬，讓定向培育的抗稻飛虱水稻生長在有大量稻飛虱的環(huán)境中，進一步驗證水稻的抗蟲效果。在抗病鑒定溫室理，工作人員給抗稻瘟病的水稻接種稻瘟病菌，進一步驗證優(yōu)良植株的抗稻瘟病效果。”雖然育種芯片可以快速篩選優(yōu)良的基因型植株，但實踐是檢驗真理的唯一標準，只有經得起性狀表型考驗的植株才是真正有育種價值的植株。
我國地域遼闊，物種豐富、生態(tài)環(huán)境多樣，同一個水稻品種在不同地區(qū)種植所遇到的病蟲害不盡相同，而即便是同一種病害，在不同地區(qū)的表現和誘因也有很大差異。“實驗樓二層恒溫箱的每一個培養(yǎng)皿里，都是不同的稻瘟病生理小種。”邱樹青告訴記者，“不同地區(qū)的稻瘟病需要不同的基因來抵抗，此外，我們預防的病蟲害也是在不斷進化的，每年種植的作物品種都要夠經受新的病蟲害考驗。”
育種家們一直在利用育種技術與病蟲害進行著“賽跑”，這一個個脅迫環(huán)境下的栽培池、培養(yǎng)箱成為了新品種與病蟲害針鋒相對的戰(zhàn)場，“模擬軍演”在這里打響。
育種芯片——篩選優(yōu)化基因
每一張育種芯片都比一塊電腦內存條還要小，8厘米長，2.5厘米寬，厚度不到0.2厘米。芯片的一端貼著一塊帶編號的條碼，在貼條碼的一面上，隱約可以看到兩排每排12個泛著光的長方形“小方塊”，每個“小方塊”的大小不到0.1平方厘米。“每一個‘小方塊’就對應著一個被檢測樣品，一塊芯片可以同時檢測24個樣品。”中國種子生命科學技術中心基因組育種部邱樹青拿起一張育種芯片說，“針對每一個樣品，每次可以檢測近7萬個高質量基因標記位點。”
2000年人類基因組測序完成標志著人類生物技術研究邁進基因時代，2005年在植物領域，水稻全基因組測序也隨即完成，這為科學家研究生物性狀奠定了科學基礎。“以前，傳統(tǒng)育種是根據田間植物形態(tài)和農藝性狀的表現來篩選親本，將高產優(yōu)質的親本和抗病抗蟲的親本進行雜交，在后代中通過大群體多年多地點篩選性狀表現好的植株，不斷繁殖鑒定，培育出高產抗病蟲的品種。這種篩選依靠植物的田間表現和育種家的經驗，需要世代累積才能尋求最佳植株，工作強度大，非常辛苦。育種家只觀察植株各個性狀的表現，不知道性狀是由什么基因控制的，傳統(tǒng)篩選方法的效率和可靠性都有待進一步提升。”基因組育種部總監(jiān)周發(fā)松告訴記者，“通過育種芯片可以了解影響各個性狀的基因，從而進行精準篩選和性狀優(yōu)化。如果能篩選出最好的基因組合，就為培育出理想的品種組合創(chuàng)造了技術條件。”
傳統(tǒng)育種手段里，育種家通過觀察和經驗來預測作物帶有的不同基因，而隨著基因技術的發(fā)展和育種芯片的不斷完善，基因的神秘面紗正在被揭開，育種家們也迎來了基因育種的新時代。通過科學手段去了解鑒定各個親本資源所攜帶的優(yōu)良基因，將最優(yōu)良的基因組合在一起，培育出最理想的作物新品種，成為了整個中心共同努力的目標。
以往育種家根據作物的田間表現進行判斷，能觀察到的性狀很有限，而且并不是所有的性狀都能觀察得到。“以水稻為例，田間能觀察到的性狀只有20多個，而水稻有3萬多個主要基因和6萬多個可能的基因，傳統(tǒng)育種手段觀察到的只是冰山一角。”周發(fā)松說，“育種芯片的作用就是把科學家對功能基因組的研究成果轉換成育種工具。”
分子標記篩選——一次檢測成百上千指標
談到育種芯片的作用，邱樹青這樣比喻：就像做抽血化驗，以前抽一次血只能檢測一兩個指標，而如今化驗一次可以檢測成百上千個指標。育種芯片通過高通量分子標記篩選技術極大地加快了育種中個體植株性狀的檢測速度，傳統(tǒng)育種方式就像中醫(yī)一樣，通過“望聞問切”等方式查看和篩選植株，而育種芯片可以通過基因檢測，從大量后代中迅速找出優(yōu)秀植株，從而縮短育種時間。
“育種芯片是檢測工具，幫助育種家快速排除95%以上的非目標單株，節(jié)約了資源，提高了效率。這樣培育一個新品種只需要3至5年的時間。”基因組育種部喻輝輝說，“與傳統(tǒng)育種方式一樣，雜交回交等產生新后代的方法還是不變的。”
通過育種芯片的檢測，可以對種質資源進行快速分析和篩選，從而得到具有高產、抗病、高肥效、優(yōu)質等基因的不同種質資源。通過對種質資源的綜合分析和考量后，可以篩選出具有多數優(yōu)良基因的資源材料做親本。選出親本后的下一步就是雜交，通過育種芯片，科學家可以選定雜交后代中帶有更多優(yōu)良基因的植株。由于育種芯片檢測的對象是基因，所以雜交后代不需要等待植株經過漫長的生長階段，在種子上或者幼苗的葉子上取點樣品，就能進行基因檢測了。這樣一來可以提前至少半年時間，更重要的是極大地提高了檢測效率。
人無完人，品種里也沒有十全十美的品種，而木桶效應在育種上表現得格外明顯。產量高、品質好的品種，卻因為對一種病害或一種蟲害缺乏抵抗力而出現減產或絕收的情況時有發(fā)生；產量不高卻對某一病害或蟲害有著得天獨厚抵抗力的品種也是“大有人在”。全基因組育種芯片讓只改變單一性狀的精準育種成為可能，育種家們可以精心打磨已經育成的品種，力爭早日培育出多抗、優(yōu)質、高產、高肥效、重金屬低吸附的資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色超級作物新品種。
從種質資源篩選到新品種選育，從品種特性檢測到品種真實性檢測，基因這張“身份證”一直伴隨著每一粒種子、每一棵植株，有了育種芯片，就可以迅速“認出”每一粒水稻。
流水線育種——實現專業(yè)化分工
有人曾做過這樣一個比喻：從事農作物育種研究的有兩種人，一種叫漢子，另一種叫女漢子。面朝黃土背朝天，南繁北育如飛雁，恰是育種工作者們生活的真實寫照。走在中心的大樓里，看到在辦公室里電腦前的、實驗室操作臺前的忙碌著的工作人員們，絲毫看不到他們身上的“鄉(xiāng)土氣息”，這里沒有皮膚黝黑、臉上帶著兩片“高原紅”的莊稼漢更沒有女漢子。
“分段式育種流水線的建立，把整個育種過程分成了多個環(huán)節(jié)，實現了專業(yè)化分工。”周發(fā)松說，“每個工作人員只需要專注于自己擅長的一個技術環(huán)節(jié)，不像傳統(tǒng)育種方式那樣，育種家必須掌握和參與所有的育種技術環(huán)節(jié)，更不用整年風吹日曬。”以往由于從事育種工作需要長期在田間風吹日曬雨淋，所以女性工作者很少，如今的基因組育種，大部分工作都是在實驗室和溫室內完成，這讓作物育種這個領域不再“陽盛陰衰”。
周發(fā)松把以往的育種家比喻為畫家，繪畫作品創(chuàng)作到一半時別人是很難繼續(xù)完成的，風格也很難保持一致；而如今商業(yè)化育種體系下，分段式流水線育種上的工作人員更像是工廠里制造不同元件的工匠。傳統(tǒng)育種手段下，育種家們日復一日、年復一年的積累經驗和育種材料，以師傅帶徒弟的方式組建團隊，難以形成規(guī)模，也沒有條件構建現代化的生物技術平臺，整合利用多學科領域的最新研究成果。而且，單個育種家的調動或離開會對整個團隊乃至團隊所在的企業(yè)產生巨大的影響。
育種芯片的出現，實現了分段式流水線育種體系的建立，育種工作者也從此進入專業(yè)化分工時代，不再需要擔心單個工作人員的變動，各個環(huán)節(jié)的成果更是可以分享和共享的。每個育種家都可以竭盡全力專注于自己最擅長的那部分，為新品種培育不斷提供優(yōu)質的中間材料。
“育種方案制定、種質資源收集、親本配組、全基因組與分子標記輔助選擇、優(yōu)系測配篩選、產品測試等等，都是商業(yè)化育種鏈條中的一個環(huán)節(jié)，品種是這一過程的唯一出口，這樣一來各個環(huán)節(jié)所在的各個部門就可以借助信息系統(tǒng)有機的協(xié)調起來。”資源管理部總監(jiān)彭俊華說，“從商業(yè)管理的角度而言，做種質資源的人、做基因組測序的人和做田間試驗的人不涉足新品種培育，育種工作只由育種家來統(tǒng)籌，一定要分工明確，權責清晰。這些都是不同的手段或支撐平臺，各司其職通力協(xié)作才能高效培育出好品種。”
脅迫環(huán)境——模擬病蟲害發(fā)生
中國種子生命科學技術中心二樓的一個培養(yǎng)室內，一位名叫陳美娟的工作人員正在查看罩在塑料膜里的一盆水稻，在她身旁恒溫箱里擺放著一盒盒長滿真菌的培養(yǎng)皿。這名工作人員正在查看記錄感染稻瘟病水稻的生長情況。在距實驗樓不遠的空地上，立著一座座溫室大棚，其中一個栽培池里所種的水稻卻都長得不好，除了幾株依然“堅挺”的水稻外，其余已經被蟲子蛀得枯黃。
“這些水稻正在進行抗稻飛虱試驗。”邱樹青向記者解釋道，“育種芯片檢測后，還要進行大田模擬，讓定向培育的抗稻飛虱水稻生長在有大量稻飛虱的環(huán)境中，進一步驗證水稻的抗蟲效果。在抗病鑒定溫室理，工作人員給抗稻瘟病的水稻接種稻瘟病菌，進一步驗證優(yōu)良植株的抗稻瘟病效果。”雖然育種芯片可以快速篩選優(yōu)良的基因型植株，但實踐是檢驗真理的唯一標準，只有經得起性狀表型考驗的植株才是真正有育種價值的植株。
我國地域遼闊，物種豐富、生態(tài)環(huán)境多樣，同一個水稻品種在不同地區(qū)種植所遇到的病蟲害不盡相同，而即便是同一種病害，在不同地區(qū)的表現和誘因也有很大差異。“實驗樓二層恒溫箱的每一個培養(yǎng)皿里，都是不同的稻瘟病生理小種。”邱樹青告訴記者，“不同地區(qū)的稻瘟病需要不同的基因來抵抗，此外，我們預防的病蟲害也是在不斷進化的，每年種植的作物品種都要夠經受新的病蟲害考驗。”
育種家們一直在利用育種技術與病蟲害進行著“賽跑”，這一個個脅迫環(huán)境下的栽培池、培養(yǎng)箱成為了新品種與病蟲害針鋒相對的戰(zhàn)場，“模擬軍演”在這里打響。
