作物改良的新型遗传工具

本文来自CABI的一篇综述要点。文章探讨了通过选择、杂交、诱变和重组实现的新的遗传变异性，以及植物育种技术创新如何为作物改良提供更精准和更高分辨率的方法。

引言

随着全球人口的增长和气候变化带来的挑战，粮食安全成为全球关注的重点。预计到 2050 年，世界人口将达到 100 亿，这要求我们不仅要养活日益增长的人口，还要应对气候变化对农业生产系统带来的直接影响和间接影响，如高 CO2、干旱、热浪、盐碱和洪水等非生物胁迫，以及由植物病虫害引起的生物胁迫。

作物改良的基础

作物改良的基本理念是通过遗传选择、杂交、诱变和重组实现新的遗传变异。这些方法对于提高作物产量、耐逆性和营养价值至关重要。文章强调了对遗传变异的分析和农艺性状分子标记的鉴定，这些技术使得育种者能够更快速地选择新的遗传组合，以培育出高产量、耐逆性和营养丰富的作物。

分子标记技术

分子标记和分子标记辅助育种技术极大地促进了作物改良。这些技术包括限制性片段长度多态性（RFLP）、随机扩增多态性 DNA（RAPD）、简单序列重复（SSR 或微卫星）、单核苷酸多态性（SNP）等。这些分子工具在多种作物中得到了应用，如小麦、水稻、鹰嘴豆等。

诱变育种（Mutagenomics）

诱变育种已成为产生新遗传变异的重要工具，通过物理和化学诱变剂产生的突变，可以导致染色体缺失、单碱基替换或小的插入/缺失。文章提到了 TILLING（Targeting Induced Local Lesions IN Genomes）技术，这是一种用于检测种子和无性繁殖植物中突变的分子标记技术。

组学技术（OMICS）在分子育种中的应用

组学技术，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表型组学和生物信息学，对育种计划产生了显著影响。高通量测序（NGS）技术通过全基因组测序和重测序，为重要作物的经济重要性农艺性状的鉴定、基因/QTL 标记的开发、等位基因挖掘和多态性的检测提供了帮助。

高通量表型分析（Phenomics）

表型选择是传统和分子育种方法中的重要和首要考虑的标准。表型组学是收集和分析从细胞到器官水平、从个体植物到种群水平的多维表型数据的学科。这项技术通过使用各种传感器（如可见光成像、红外成像、光谱成像、激光成像、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层扫描（PET）和 X 射线断层扫描（CT））来捕捉高通量图像。

转基因育种

转基因技术已成功应用于改良多种作物的广泛性状，如植物结构、营养价值、抗病虫害能力、生物燃料和非生物胁迫耐受性。文章提到了 RNA 干扰技术，这是一种基于双链 RNA 介导的序列特异性基因沉默的技术，已成功应用于提高产量、改善果实品质、延长货架寿命和提高营养价值等方面。

目标育种：精确的基因修改模式

传统的育种方法虽然用于改良植物性状，但过程繁琐且耗时。基因组编辑技术允许针对和修改特定的 DNA 序列。CRISPR/Cas9 系统是最为热门的基因组编辑工具，它由 Cas9 核酸酶和导向 RNA (gRNA) 组成，能够识别并切割目标 DNA 序列。

基因编辑技术的挑战和前景

尽管基因编辑工具在科学界引起了极大的兴趣，但仍需进一步研究以克服一些挑战。这些挑战包括编辑效率、非目标编辑、编辑窗口的局限性以及对编辑机制的深入理解。

快速育种（Speed Breeding）

快速育种是一种新兴的植物育种技术，通过在连续光照下种植植物，使植物能够进行更长时间的光合作用，从而加快生长速度。这种方法允许作物每年进行四到六代的种植，而不是在正常生长条件下的两代，从而加快新品种的开发。

结论

面对食品需求的增加和气候变化的挑战，新的和创新的育种方法提供了实现目标的巨大潜力。分子育种和遗传工程技术已成为改善作物植物多个农艺属性的强大途径。基因组编辑工具，特别是基础编辑和最近的先导编辑，在目标性状的精确改良方面显示出了巨大潜力。同样，加速育种方法为需要更多作物周期以快速开发新品种的情况提供了更多选择。