表型分析平臺(tái)建設(shè)和技術(shù)創(chuàng)新

我國(guó)現(xiàn)有小麥種質(zhì)資源豐富，構(gòu)建的遺傳群體數(shù)目龐大，用于表型鑒定花費(fèi)的人力物力不計(jì)其數(shù)。如何快速準(zhǔn)確地獲得小麥單株或品系的表型數(shù)據(jù)，一直是育種家和研究者面臨的困境。表型分析平臺(tái)就是新興的、可以進(jìn)行種質(zhì)資源表型研究和精準(zhǔn)鑒定的大型科學(xué)裝置或設(shè)施。遺傳發(fā)育所的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)作物株型和穗型等三維構(gòu)象，利用高分辨激光/軟射線成像系統(tǒng)、高精度圖像解析與重建等方法和技術(shù)，搭建了水稻、小麥等品系株型和穗型的表型分析平臺(tái)。此外，無人機(jī)搭載高清攝像機(jī)或紅外儀等，通過遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍田間作物的表型采集工作，已在陸續(xù)開展。這些新技術(shù)、新方法的推廣應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)種質(zhì)資源的利用和品種的選育過程。

小麥功能基因組研究

當(dāng)前，功能基因組學(xué)已成為目前生命科學(xué)的競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)與重點(diǎn)發(fā)展方向。隨著人類基因組、模式動(dòng)植物基因組等測(cè)序工作的相繼完成，生命科學(xué)已從整體上進(jìn)入以功能基因組學(xué)研究為核心的后測(cè)序時(shí)代，世界各國(guó)對(duì)各種后測(cè)序基因組計(jì)劃高度重視。例如，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)先后啟動(dòng)了多個(gè)物種的?ENCODE?計(jì)劃和四維細(xì)胞核組學(xué)項(xiàng)目。但是，我國(guó)在復(fù)雜多倍體基因組及其功能基因組學(xué)領(lǐng)域還處于跟蹤與追趕階段。多倍體小麥參考基因組的問世，為我們提供了很好的契機(jī)。如何借鑒模式植物擬南芥和水稻功能基因組研究的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合小麥基因組的自身特點(diǎn)，開發(fā)一套適合小麥突變體的快速圖位克隆技術(shù)，應(yīng)該是小麥研究人員共同面臨的一個(gè)課題。

Mut-Map?是利用野生型和突變體構(gòu)建的分離群體進(jìn)行測(cè)序并快速定位功能基因的成熟技術(shù)。鑒于小麥巨大基因組和昂貴的測(cè)序成本，科研人員可以同時(shí)借助轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、捕獲測(cè)序、RNA-Seq?和重測(cè)序等多重手段幫助實(shí)現(xiàn)小麥功能基因的快速定位。BSR-Seq?技術(shù)就是融合集群分離分析（bulked segregant analysis，BSA）和?RNA-seq?分析，可以實(shí)現(xiàn)小麥基因快速定位的一種方法。

基因編輯技術(shù)

基因編輯技術(shù)是利用人工核酸酶對(duì)基因組進(jìn)行靶向修飾的遺傳工程技術(shù)，是當(dāng)今生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。遺傳發(fā)育所高彩霞團(tuán)隊(duì)一直致力于作物基因組編輯方法的研究和應(yīng)用。2014?年，該團(tuán)隊(duì)首先利用?TALEN?技術(shù)敲除小麥?MLO?基因?qū)崿F(xiàn)對(duì)白粉病的廣譜抗性。CRISPR/Cas9?基因編輯系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便及高效的特點(diǎn)，已經(jīng)成為目前應(yīng)用最為廣泛的基因編輯技術(shù)。之后，該團(tuán)隊(duì)又率先在小麥、水稻和玉米三大重要農(nóng)作物成功實(shí)現(xiàn)了單堿基編輯技術(shù)并運(yùn)用到性狀改良上。此外，通過將?CRISPR/Cas9?蛋白和?gRNA?在體外組裝成核糖核蛋白復(fù)合體（RNP），再利用基因槍法進(jìn)行轉(zhuǎn)化和定點(diǎn)編輯，該團(tuán)隊(duì)已在小麥中成功建立了全程無外源?DNA?的基因組編輯體系。這種?DNA-free?的基因編輯技術(shù)具有精準(zhǔn)、特異、簡(jiǎn)單易行、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，并且有助于最大程度的減少監(jiān)管，建立起精準(zhǔn)、生物安全的新一代育種技術(shù)體系，加快作物基因組編輯育種產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

芯片開發(fā)及輔助育種

長(zhǎng)期以來，局限于小麥功能基因的數(shù)量和注釋信息太少，分子輔助育種技術(shù)一直無法推廣；伴隨基因組測(cè)序和基因克隆技術(shù)的發(fā)展，相信會(huì)有越來越多的小麥功能基因被克隆和應(yīng)用到分子育種實(shí)踐中。近年來，小麥?SNP?芯片的開發(fā)和應(yīng)用更為普及，多個(gè)國(guó)內(nèi)單位和公司合作開發(fā)的新芯片相繼推出。這些?SNP?檢測(cè)技術(shù)將為小麥全基因組關(guān)聯(lián)分析、重要基因?/QTL?連鎖定位以及育種親本及后代材料的分子檢測(cè)提供重要的技術(shù)支撐。已有文章報(bào)道，利用?Illumina Infinium iSelect 90K SNP?芯片技術(shù)結(jié)合?BSA?集群分離分析法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的小麥新品系或品種中抗白粉病基因的定位。

此外，育種芯片的開發(fā)和應(yīng)用極大提高了高通量篩選鑒定后代群體的效率。小麥傳統(tǒng)常規(guī)育種一般依靠品種間雜交，因此導(dǎo)致遺傳多樣性的喪失。植物細(xì)胞與染色體工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在李振聲院士的帶領(lǐng)下，長(zhǎng)期致力于小麥遠(yuǎn)緣雜交和染色體工程育種研究，成功將偃麥草的染色體組、染色體、染色體片段導(dǎo)入小麥，育成小偃麥八倍體、異附加系、異代換系和易位系等雜種新類型，以及“小偃?6?號(hào)”等高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣譜抗病小麥品種。但是，小麥遠(yuǎn)緣雜交育種研究一直以來還局限于在細(xì)胞遺傳學(xué)水平上。借助于基因組測(cè)序技術(shù)和育種芯片的開發(fā)，相信會(huì)更快地推動(dòng)小麥遠(yuǎn)緣雜交品種的選育進(jìn)程。（作者：傅向東 劉倩 李振聲 張愛民 凌宏清 童依平 劉志勇 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所北京《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）