高通量分子育種：神奇的育種加速器

魯妮 項意恣

高通量分子育種聽起來似乎離我們很遙遠，分子育種可能還有人聽說過，高通量分子育種可能就沒有多少人知道了。高通量分子育種技術是農業加速器，可以提高育種速度、縮短育種周期，提高農業生產效率。那所謂的高通量分子育種到底是什么呢？

什么是高通量分子育種

“高通量”其實是一個因為市場需求的擴大而產生的概念。由于育種規模不斷擴大，傳統的育種方式以及普通的分子育種實驗室逐漸無法滿足市場的需求，高通量分子育種應運而生，高通量分子育種就好比育種技術進入了“大數據”時代。高通量分子育種是輔助和加速傳統育種的一個方式，主要通過分子標記技術，對植株的基因進行檢測標記，進行分子層面的輔助選擇、輔助回交育種、雜交種純度檢驗等。

簡單來說，傳統的育種需要育種家把材料全部都種植到地里，然后通過觀察植株的性狀，選擇一些高產、抗病的材料。這樣的方式需要把所有材料都種到地里，效率與準確率都不高，而且周期比較長。特別是一些抗病、抗蟲的性狀，難以通過經驗在短期內形成準確判斷。而高通量分子育種則能在把植株往地里種之前，就快速檢測出某個材料是否抗病、是否高產，從而縮短周期，提高選擇效率，在一定面積的土地上種植更多有效、優質的單株。

與傳統的分子育種相比，高通量分子育種具有檢測速度更快、成本更低、通量更大等特點，能夠更高效地對更多植株進行檢測和反饋。北京通州國際種業園區高通量分子育種實驗室主任張東峰介紹：“原來育種家可能每年種兩三畝地，現在一個育種家的種植面積可能會達到一兩百畝，他需要往地里種的材料非常多。這么多材料如果通過傳統的實驗室去做分子標記會很慢，但種植對時間卻是有要求的，例如，玉米最晚4月底就需要種到地里，等到6月才給對方檢測結果就錯過了最佳種植時機。所以需要高通量，高通量就是可以大規模、快速地幫助育種家去檢測這些材料。”據了解，以單株為單位，如果一個單株只測某一個基因的性狀，北京通州國際種業園區高通量分子育種實驗室一天可以檢測20萬個單株，相當于2000臺常規96通道PCR儀同時工作的結果，而常規的分子育種實驗室可能一天只能檢測一兩千個單株。

哪里可以做高通量分子育種

高通量分子育種已經是一項成熟的技術，現在處于應用階段。在 21 世紀初，國際種業公司如孟山都、先鋒公司等已經采用新一代的單核苷酸多態性（SNP）分子標記檢測技術，它具有檢測快速、成本低、通量大的特點。在我國，湯斌博士2012年就提出中國迫切需要建立多個大規模、高效率的高通量分子遺傳育種平臺，引進全自動化的單株篩選培育技術和設備。目前，我國多地已經建立了高通量分子育種實驗室，為育種家或育種單位提供育種服務。

2014年成立的中玉金標記（北京）生物技術股份有限公司，就建立了以高通量DNA提取平臺、高通量分子標記開發平臺、高通量分子標記檢測平臺，以及高通量SNP芯片檢測平臺等四大平臺為核心的分子育種實驗室，可提供種子質量檢測服務、轉基因檢測服務、分子育種服務等。華智水稻生物技術有限公司也建立了高通量SNP分子標記檢測平臺，每天最多可以做近40萬個DNA數據點。北京通州國際種業科技園區也積極搭建了高通量分子育種服務平臺，組建了以分子標記技術為核心的開放實驗室，其高通量分子育種實驗室運用高通量分子標記檢測技術，一天可以檢測20萬個單株。

值得一提的是，一臺高通量分子育種設備動輒幾百萬元，對普通育種單位來說是一筆昂貴的費用，而且普通育種單位也不需要這么多的實驗數據，如果自購設備進行分子育種，對于育種單位來說并不明智，而且還會造成資源浪費。與高通量分子育種實驗室合作進行分子標記輔助育種，育種家或育種單位就不用承擔巨額的設備成本，而且其篩選優質單株的成本比直接往地里種的成本還要低。張東峰解釋說：“如果通過這種方式篩選的成本比傳統育種的成本要高，就沒有推廣價值了。恰恰是因為采用新的技術能夠改善傳統育種，對其提供幫助，才要去推廣它，讓它為育種家、為我國的農業發展服務。”

高通量分子育種實驗室的檢測流程也較為簡單明了，能節省育種家和育種單位的時間。張東峰介紹：“我們實驗室的流程通常是需求方送來樣品——種子或葉片，如果是葉片就先提取DNA，如果是種子就先通過發芽讓種子形成葉片再提取DNA;然后，根據不同的需求，例如做純度檢測，或是抗病性檢測，或是一致性檢測等，實驗室安排不同的人員利用分子標記對DNA進行檢測;然后讀取結果，分析結果，最后將數據返還需求方。”

技術推廣成為發展難點

高通量分子育種流程簡單，效率高、精度高，給育種帶來了極大的便利，但是，其在國內的普及并不夠。不只是在普通大眾中普及度不高，在育種家和育種單位中，仍然有許多人對這一技術比較陌生。“國內的育種單位都是一些中小企業，它們沒辦法建立自己獨立的實驗室來開展高通量分子育種;而且，國內育種家的整體受教育程度沒有那么高，他們對生物學以及新技術沒有那么了解，還是更加信任傳統的育種方法。”普及度不高，推廣成本高，是張東峰認為的高通量分子育種目前面臨的主要難題。

另一方面的發展困境在于，并不是所有的基因都已經準確地知道其功能，分子標記輔助育種所作用的還是我們已知的這些功能基因，并沒有形成一個非常好的體系。解決這一困境需要對農作物基因有更多的了解，在基因測序和基因組圖譜的精細繪制上進一步努力探索。