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创新育种技术增强作物抗逆性

创新育种技术增强作物抗逆性

一、引言

在全球气候变化日益加剧以及农业生产面临诸多挑战的背景下，作物抗逆性的提升成为保障粮食安全与农业可持续发展的关键因素。传统育种方法在作物改良方面曾取得了显著成就，但随着对作物抗逆性要求的不断提高以及育种效率提升的迫切需求，创新育种技术应运而生并展现出巨大潜力。这些创新技术能够更精准、高效地挖掘和利用作物的遗传潜力，为增强作物抗逆性开辟了新的途径，对推动农业适应复杂多变的环境具有极为重要的意义。

二、创新育种技术的类型与原理

（一）基因编辑技术

1.CRISPR-Cas9系统

-CRISPR-Cas9是目前应用最为广泛的基因编辑技术。其原理是基于细菌的适应性免疫系统改造而来。Cas9蛋白作为一种核酸内切酶，能够在引导RNA（gRNA）的引导下，识别并切割特定的DNA序列。在作物育种中，通过设计与目标抗逆基因相关的gRNA，可以精确地对作物基因组进行编辑。例如，针对干旱胁迫响应基因进行编辑，改变其特定的核苷酸序列，从而调节基因的表达水平或功能。研究发现，在小麦中，利用CRISPR-Cas9技术对某个与水分吸收和转运相关的基因进行编辑后，小麦在干旱条件下的保水能力得到显著增强，叶片的相对含水量在干旱处理一段时间后比未编辑植株高出约20%-30%。

-与传统育种方法相比，CRISPR-Cas9技术能够快速、精准地实现基因定点突变、插入或缺失，大大缩短了育种周期。传统育种可能需要通过多代杂交和筛选才能获得目标性状，而基因编辑技术可以在一代内直接对目标基因进行操作并获得相应表型。

2.其他基因编辑系统

-除了CRISPR-Cas9，还有CRISPR-Cpf1等其他基因编辑系统也在作物育种研究中崭露头角。Cpf1酶具有一些独特的优势，如它识别的PAM序列与Cas9不同，这使得在选择编辑靶点时有更多的灵活性。在水稻抗盐育种研究中，CRISPR-Cpf1被用于编辑一个与盐离子转运相关的基因家族中的多个成员。通过对这些成员的不同组合编辑，研究人员发现了一种能够显著降低水稻植株体内盐离子积累，同时提高其对钾离子吸收利用效率的编辑策略，从而增强了水稻在盐碱地中的生长能力，在盐渍土盆栽试验中，编辑后的水稻品种产量比对照品种提高了约15%-20%。

（二）分子标记辅助选择

1.原理与流程

-分子标记辅助选择（MAS）是利用与目标基因紧密连锁的分子标记来筛选具有目标性状的个体。这些分子标记可以是简单重复序列（SSR）、单核苷酸多态性（SNP）等。首先，通过对作物基因组进行分析，确定与抗逆性状相关的基因或QTL（数量性状位点），然后开发与之紧密连锁的分子标记。在育种过程中，对杂交后代进行分子标记检测，而不是仅仅依靠表型观察来选择具有目标抗逆基因的个体。例如，在玉米抗虫育种中，已知某个QTL与玉米对玉米螟的抗性密切相关，通过筛选与该QTL连锁的SNP标记，在杂交后代群体中能够快速准确地鉴定出携带抗性QTL的个体，大大提高了选择效率。传统的玉米抗虫育种可能需要在田间种植大量的杂交后代，观察其遭受虫害的情况来筛选抗性植株，这不仅耗费大量的土地、人力和时间，而且容易受到环境因素的干扰，而MAS技术可以在幼苗期甚至种子阶段就进行筛选，准确性更高。

2.应用案例与效果

-在大豆抗逆育种中，研究人员利用MAS技术针对大豆的耐旱和耐涝相关基因进行选择。通过对多个与水分胁迫响应相关的QTL连锁的分子标记进行检测，在杂交后代群体中筛选出了既具有良好耐旱性又具有一定耐涝性的大豆株系。经过多年多点的田间试验，这些筛选出的株系在干旱年份的产量损失比普通品种减少了约30%，在洪涝灾害后的恢复生长能力也明显优于对照品种，其存活率提高了约25%-30%。

（三）全基因组选择

1.技术核心与优势

-全基因组选择（GS）是一种基于基因组范围内的标记信息对个体的育种值进行预测的方法。它不仅仅依赖于与目标性状紧密连锁的少数几个标记，而是综合考虑整个基因组上的所有标记信息。通过对大量具有不同表型和基因型的个体进行分析，建立起基因组标记信息与表型数据之间的数学模型，然后利用这个模型对未表型鉴定的个体进行育种值预测，选择具有高育种值的个体进行繁殖。在作物抗逆育种中，例如对于复杂的抗逆性状如抗多种病害和逆境的综合抗性，GS技术能够更全面地评估个体的遗传潜力。与传统的基于表型选择和MAS相比，GS可以在更短的时间内获得更高的遗传增益。在一个小麦育种项目中，采用全基因组选择技术对小麦的抗逆性进行改良，在相同的育种周期内，遗传增益比传统育种方法提高了约40%-50%。

2.面临