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蓖麻育种:向基因要答案
消息来源:未知      
  金秋9月,正是蓖麻结籽的时候。伴随着清脆的响声,蓖麻籽冲破厚重的果实外壳,纵身一跃,奋力跳到更远的地方,以获取更大的生存空间。
  种植户并不喜欢“运动细胞”发达的蓖麻,这大大增加了后续收获蓖麻籽的难度。
  “蓖麻植株中,像这样不利于农业生产的性状有很多,人工筛选的速度远远不能满足生产需要,基因组重测序为科研人员提供了一个改良性状的新思路。”中国农业科学院农业基因组研究所研究员崔鹏告诉《中国科学报》。
  日前,崔鹏课题组与湖北大学生命科学学院教授吕世友等合作的一项研究取得新进展。研究人员通过对405份蓖麻品种进行全基因组重测序,发现了与蓖麻重要农艺性状相关的候选基因,以及蓖麻驯化和地理分化过程中的一些选择位点,该研究有望为蓖麻育种提供新思路。相关研究成果近日发表在《自然—通讯》上。
  需求:70%的蓖麻油依靠进口
  “山渠面面护蓖麻,锁尽春风一院花。”蓖麻果荚长满尖刺,有毒,不是个“善茬儿”,但却有一定药用价值,中医典籍曾有记载,蓖麻能够通便、消肿拔毒、治疗跌打损伤等。中国曾是蓖麻种植大国,家家户户都要种一些蓖麻。
  但受多重因素影响,近年来我国蓖麻的种植面积大幅度减少。目前,中国蓖麻种植面积约300万亩,不足全球两成。
  随着工业发展,全球对蓖麻的需求不断上涨。蓖麻油因其特殊的理化性质,成为重要的工业用油之选。蓖麻油经过裂解、氧化、硫化等处理后,可以用于医药分散剂、油漆涂料、工业航空润滑油、化妆品等。
  据不完全统计,利用蓖麻油的化工用品已达300多种。仅从尼龙这类高强度绝缘材料的广泛应用趋势判断,2010年全球对蓖麻油的需求量就已经达到60万吨。
  事实上,全球蓖麻种植面积少且产量偏低,远远满足不了市场的需求。我国也不例外,近十年来,我国多数蓖麻加工企业不能进行全年生产,只能从印度等国家进口大量蓖麻籽和蓖麻油作原料。
  据统计,我国蓖麻年均总产不足20万吨,而年需求量却达到40万吨,缺口达一半以上。其中,一级蓖麻油需求量为10万吨,国内产量只有3万吨,缺口将近七成。
  “蓖麻传统育种存在瓶颈,进一步选育优良高产品种十分关键。”崔鹏说。
  基因组:为育种提供新思路
  目前,我国蓖麻种植中,80%左右采用常规种,产量和含油量均远低于杂交品种。山东淄博农业科学研究院副院长谭德云介绍,常规品种平均亩产量只有58公斤左右,而在新疆、内蒙古,以及东北地区种植的杂交品种产量达到300公斤每亩。
  尽管如此,吕世友说:“目前,世界上依然没有蓖麻的优势品种,杂交品种产量还不够高。”
  作为一种重要能源、工业油料植物,崔鹏也不满足于目前品种的杂交优势。他想,从基因组角度出发,或许能揭开高产蓖麻的秘密,从而选育出适合农业生产的蓖麻品种,突破杂交蓖麻的产量瓶颈。
  他介绍,全基因组重测序是研究作物农艺性状相关基因的有效手段。目前,基因组重测序技术成本有所降低,基于全基因组重测序的分析方法逐渐完善,研究人员已对多种作物进行了基于全基因组重测序的驯化位点、农艺性状关联基因位点的研究。“诸如水稻小麦棉花等农作物,在进行基因组测序后,又进行了全基因组重测序,为选育优质品种提供了新思路。”
  全基因组重测序的前提是具有尽可能多的性状植株。为此,崔鹏联合吕世友及中国农业科学院油料作物研究所,耗时两年多,在全球各地收集了405种蓖麻。
  这只是研究的第一步,此后的基因测序工作量极大。为此,研究人员选择了9个重要农艺性状。研究中利用变异数据进行全基因组关联分析(GWAS),发现了这9个重要农艺性状的候选基因。
  通过群体遗传研究,研究人员发现国内蓖麻品种分布具有区域性特点。崔鹏举例,从中国南部到北部,蓖麻表现出果穗从容易裂开到不容易裂开、穗高由高至低等显著趋势。
  研究人员还利用蓖麻的区域性特点,找到了基因组区域与蓖麻地理分布相关的受选择区域,将这些受选择区域与GWAS结果相结合后,找到了受选择性状在基因组上的具体受选择位点。
  “研究中发现,北方比南方果荚更不容易开裂。历史上,由于蓖麻在我国的栽培可能是自南向北传播的,果荚开裂相关基因在这一过程中受到了较强选择。”崔鹏说。
  应用:新品种上市仍需时间
  基因变异促进了物种多样性,也增加了农业生产的难度。找到控制蓖麻性状的基因,并不能直接选育出高产、高出油量的蓖麻品种。
  吕世友介绍,目前这9个重要农艺性状的候选基因的功能还不能确定,接下来还需要进一步验证。“验证每个基因的功能,工作量巨大,是一个循序渐进的过程。但我们相信,利用基因编辑技术有望发现更适合农业生产的蓖麻品种。”
  目前,崔鹏课题组与吕世友课题组已经展开了相关验证工作,并取得了一些突破。
  与此同时,在基层从事多年育种和种植工作的谭德云提出,产量只是研发新品种过程中要解决的众多问题之一。诸如蓖麻植株的环境适应性,包括抗病、抗虫、环境耐性等问题也需要进一步研究,希望能从基因角度为蓖麻育种找到答案。
  除了品种本身的局限,他认为,蓖麻还面临栽培技术落实不到位等问题,致使高产基因不能充分表达、产量不高,未来希望基因技术能够帮助高产性状充分表达。