作物分子设计育种国际发展态势分析.PDF

作物分子设计育种国际发展态势分析 董瑜 张薇 袁建霞 赵亚娟 张博 雷孝平 李超 王晓梅 韩涛 （中国科学院国家科学图书馆总馆北京 100190 ） 摘要：随着全球人口增长、经济发展和城市化，全球粮食生产正面临着严峻挑战；同时资源严重短 缺、生态环境恶化也正威胁着粮食生产的可持续发展，粮食安全及其可持续发展问题成为全世界关 注的焦点。在人口、资源、环境等刚性条件约束下，培育高产、优质、高效作物新品种已成为确保 全球粮食安全、改善人类健康，促进农业可持续发展的重要途径之一。 近年来，随着分子生物技术的迅猛发展，分子设计育种已成为国际上引领作物遗传改良的前沿 技术，它以生物信息学为平台，以基因组学和蛋白组学等数据库为基础，综合作物育种学流程中的 作物遗传、生理、生化、栽培、生物统计等所有学科的有用信息，根据具体作物的育种目标和生长 环境，在计算机上设计最佳方案，然后开展作物育种试验的分子育种方法。与传统育种技术相比， 分子设计育种更为精确、更加高效率，能够实现从 “经验育种”到 “精确育种”的转化，为保障粮 食安全提供了新的技术途径，同时也对减少农业生产对资源的过度利用和环境污染具有重大的科学 和现实意义。 本报告利用定性和定量的方法对目前世界上作物分子设计育种相关研究的发展状况进行了分 析，包括基因组研究、基因和数量性状位点（quantitative trait locus ，QTL ）定位研究、分子标记及 其辅助选择育种研究等。通过对代表性国家美国、英国、加拿大、澳大利亚、法国，以及重要国际 组织国际玉米小麦改良中心、国际水稻研究所以及跨国基因组研究组织进行调研，概括总结了他们 在分子设计育种相关研究方面的计划和项目。报告利用文献计量学方法，通过分析国际农业和生物 学中心文摘数据库 （CABI ）收录的相关论文和 Aureka 专利平台中收录的专利数据，从另一个角度 揭示出近年来国际上分子设计育种相关研究和技术研发的发展趋势、研究热点和重点方向。 报告形成如下结论： 1. 分子设计育种目前尚处于起步阶段，主要集中在 QTL 定位、分子标记辅助选择育种以及转 基因育种研究上，还没有实现真正地通过预先设计进行复杂性状的育种改良； 2．利用分子标记进行遗传连锁定位，对上位性、表型变异、以及基因型-环境互作的研究是当 前QTL 定位和分子标记辅助选择研究的重要内容；研究较深入的作物包括水稻、小麦、玉米、大麦 和大豆；研究较多的性状包括病害抗性、作物产量、株高、作物品质、害虫抗性和耐旱性； 3．我国和我国的研究机构在 QTL 定位和分子标记辅助育种领域的基础研究方面力量较强，论 文数量位居世界第二，在论文数量排名前10 位机构中，我国的大学和研究机构共占据5 个席位。但 在相关技术领域的国际专利申请不活跃； 4. 美国在分子设计育种相关研究和专利申请上均占据重要地位。 报告提出相关建议： 1. 分子设计育种是一个集成多种技术和学科的系统工程，需要联合和发挥多家研究机构的力 量，建议在国家层面组建 “分子设计育种研发联盟”，集中设施、人才和资金优势，以我国丰富的作 物基因资源为核心，立足于国家粮食安全与农业可持续发展的重大需求，依托国家科技计划，开展 作物分子设计育种基础理论和技术平台建设，促进分子育种与常规育种技术的有机结合，构筑作物 分子设计育种技术创新体系； 2．我国在分子设计育种相关领域的基础研究方面力量较强，论文数量位居世界前列，但在国际 专利申请方面明显落后，因此建议加强产学研结合，鼓励企业参与相关研究，促进研究成果的快速 转化和有效利用，构筑一体化的产业链，并加大知识产权保护。 关键词：分子设计育种 作物 QTL 分子标记辅助选择 文献计量学分析 1 1 引言 20 世纪50 年代的第一次 “绿色革命”，使世界农业生产得到了飞速发展，为解决世界的粮食安 全问题做出了巨大贡献。然而，随着农业生产水平的提高，投入的增产效应趋减，粮食增产的边际 空间在变小；此外，耕地面积减少、生态环境恶化也正严重威胁着世界粮食生产的可持续发展；人 口的不断增长和生物能源的扩张同时也给全球粮食生产提出了严峻的挑战。近年来，世界粮食增长 减缓，世界粮食生产与供需趋势已经由供大于求转向供需紧张，尤其是 2007/2008 年世界范围的粮 食危机使粮食安全问题再次成