A8分子设计育种的研究与探索程伟

基于水稻分子设计育种的研究与探索浙江大学学士学位论文学号：1211082009基于水稻分子设计育种的研究与探索ResearchandExplorationBasedonMolecularDesignBreedinginRice学生姓名：程伟指导老师：胡建平所在院系：网络教育学院所学专业：农学研究方向：农学浙江大学中国·杭州2015年3月基于水稻分子设计育种的研究与探索I摘要中国的水稻育种技术有许多突破，比如：杂交水稻的成功选育使得作物的产量有了上升，超级水稻的育种技术使产量有了更进一步的发展。甚至，分子育种技术的发展使得水稻在产量和质量上同时都有更进一步的提升。通过多种技术的融合，分子设计育种能够对育种过程中的多个变量进行仿真和优化，从而提出最适合育种的目标基因类型以及产生目标基因型的亲本与后代的选择策略。以提升育种过程中的效率和成功率，保证了从经验到定点准确育种的转变。同时随着其他辅助性分子技术的日渐完善,生物学与信息学的快速发展,生物IT软件的开发等,分子设计育种正在成为水稻育种的主要手段。本文综述近些年来我国水稻分子设计育种的发展情况,并讨论了未来水稻育种最有可能的发展方向：水稻分子设计育种，同时结合国内外分子设计育种的研究现状对分子设计育种的未来进行进一步的展望,最后提出我国水稻分子设计育种近期内应加强的一些方法和手段。关键词：分子设计育种基因水稻基于水稻分子设计育种的研究与探索IIAbstractTherearemanybreakthroughricebreedinginChina,forexample:thehybridrice'ssuccessfulbreedingledtothefurtherrisingofriceyield，andthebreedingtechnologyofsuperriceincreasedriceyieldtoahigherlevel．However,thedevelopmentofmoleculardesignbreedinginricetechnologymakesthericebothonthequantityandqualityarefurtherascension.Throughavarietyoftechnologyintegration,moleculardesignbreedingtobreedingprocesssimulationandoptimizationofmultiplevariables,thusputforwardgenetictypesandproducethemostsuitablebreedinggoalgenotypeselectionstrategyofparentandoffspring，andalsocanimprovingtheefficiencyofbreedingandbreedingsuccessrateandRealizefromthetraditionalexperiencebreedingtotheconversionoftheorientation,ensuretheaccurateandfromexperiencetofixed-pointbreeding.Meanwhilewithotherauxiliarymoleculartechnologyincreasinglysophisticatedatthesametime,therapiddevelopmentofbiologyandinformatics,biologicalITsoftwaredevelopment,suchasmoleculardesignbreedingisbecomingthemainmethodofricebreeding.Thispaperreviewsrecentdevelopmentsituationofricemoleculardesignbreedinginourcountry,andcombiningwiththedomesticandforeignresearchsituationofmoleculardesignbreedinginthefutureforfurtherprospects,finallyputforwardourcountryricemoleculardesignbreedinginthenearfutureshouldstrengthensomeofthewaysandmeans.Keywords:MolecularDesignBreeding,Gene,Rice基于水稻分子设计育种的研究与探索III目录摘要……………………………………………………………………………………………IAbstract………………………………………………………………………………………II1前言…………………………………………………………………………………………11.1研究的目的和意义……………………………………………………………………11.2国内外研究现状…………………………………………………………………21.3本文研究的主要内容…………………………………………………………………22我国水稻育种技术的研究与发展………………………………………………………………32.1常规水稻矮秆化育种技术………………………………………………………32.2杂交水稻制种技术……………………………………………………………42.3超级稻培育……………………………………………………………………42.4分子育种技术和转基因水稻……………………………………………………52.5我国分子育种技术的进展………………………………………………………63当前我国水稻育种存在的问题……………………………………………………………73.1水稻分子育种的若干问题………………………………………………………73.2水稻分子育种问题的解决方案展望…………………………………………84发展水稻分子设计育种的对策…………………………………………………………85总结………………………………………………………………………………………9参考文献………………………………………………………………………………………10致谢……………………………………………………………………………………………11基于水稻分子设计育种的研究与探索-1-1前言1.1研究的目的和意义目的：水稻是非常重要的农作物，提高水稻的产量事关国民生计，同时对国家经济的繁荣和社会的稳定发展具有至关重要的作用。当今世界粮食已经从普通的食品物质上升为国家战略性的物资，粮食以及其他作物的安全一直关系国计与民生。20世纪50年代以来，经历过杂交育种和矮化育种后，中国水稻实现过两次大的飞跃，之后一直处于进步不前状态。当前，持续减少的耕地、不断增长的人口、愈加恶劣的环境污染、以及极端的气候，都对水稻以及其他粮食作物的产量和质量产生了影响，为了改变现状迫切需要新技术突破产量瓶颈。Peleman与vanderVoort第一次提出设计育种的概念，之后中国的一些科学家也相继提出类似的水稻分子设计育种和基因设计育种的概念。相比于传统育种技术，设计育种技术可以实现从“靠经验育种”到“靠基因定位育种”的转变。研究分子设计育种的主要目的是寻找到能控制目标性状的基因，并且分析这些基因在一定的目标环境群体下的表达形式、以及在不同环境下的有利基因与不同基因组合,从而培育出优良品种。在传统的育种过程中,育种家会使用设计的方法组配后代的亲本、大致估计后代的情况，而在分子设计育种中，育种家会提出最适合最优的亲本选配以及后代,并且结合育种实践从而培育出符合设计要求的农作物新品种,最终实现定点培育后代。所以优化分子设计育种技术有利于培育出优秀的后代。意义：从全世界来看，生物技术育种已经进入了技术发展的战略机遇期，围绕基因、IT技术、市场的竞争越来越激烈，越来越国际化。虽然这几年中国在生物学和分子基因组学方面的研究成就颇多，但是中国生物育种技术以及生物育种产业和发达国家比还是有很大的差距。现在世界上转基因以及生物育种技术主要由欧洲或者美国等发达国家持有，对我国的人才市场、知识产权与生物资源和农业等产业市场展开了激烈争夺。在如此严峻的国际大环境下，分子化标记辅助选择、转基因分子技术、智能杂交制种、分子设计技术中国必须尽快加速生物育种技术的创新与自主应用，从而建立全面可靠的生物育种技术(包括分子化标记辅助选择、转基因分子技术、智能杂交制种、分子设计技术、双倍单倍体育种及农艺性状类关键调控基因定点的改造等技术)与高效栽培技术、常规育种技术相融合的现代化生物育种体基于水稻分子设计育种的研究与探索-2-系，这个是全方位提高我国种业科技核心竞争力和水平的关键手段之一，也是确保中国粮食产量和安全的关键之路。中国政府不仅明确表态支持生物育种技术，并且将他列为中国新兴产业之一。09年开始实施了“分子育种技术培育”等重大科研技术项目;旨在通过高层次的研发与现代化的服务带领现代化农业走向高层次、高科技、高产出的道路。在2013年，中国农业科学院开启了科创工程这是在中科院的知创工程、社科院理创工程之后的第三个国家级科创工程，目的在于通过科技创新提升自主创新的能力、着力优秀的人才、完善学科的布局、优化资源配置、拓展国际合作化的空间。通过这些手段和措施，将进一步提升我们的农业水平，增强中国的农业科研实力，为我国和世界粮食安全做出重要贡献。1.2国内外研究现状新世纪以来，跨国资本的大量输出、生物科技工程技术与市场经济的飞快发展，在全球化经济的大潮下，育种技术以及育种业的步伐不断加快，西方发达国家和美国的育种业面临全球产业化、高速竞争化、高技术化。基因技术在作物育种上的研发与应用目前世界上主要由美国控制，尤其以转基因作物最引人注目，美国在玉米育种上，早已经打破传统化的育种方法，基本上实现了高产量、高质量、高营养价值的转基因育种，实现了定向以及目标育种。进入20世纪80年代后期，国际水稻所的科学家合作研究联合攻关，根据水稻各项与产量相关的关系的研究结果，提出了新株型的超高产育种计划，在1994年虽然又完成了一批新株型（这些新品种还没有完全稳定），存在抗性弱，籽粒不饱满，结实率低等缺陷，距离市场化还有很大的距离，但是育种家们不断努力改变其缺点，希望在新的研究周期后满足国际水稻生产的各种指标和需求。目前世界上美国、日本等国家在水稻育种方面处于领先地位。相比于欧美育种业，中国的水稻育种业还有较大差距，但是在第三世界中处领头羊地位。中国的“超级稻计划”。农业部决定启动为期l0年的“中国超级稻研究”重大项目，通过各种途径和技术手段，从而使到2015年产量为1050公斤/亩。1.3本文研究的主要内容基于水稻分子设计育种的研究与探索-3-本文通过农业发展遇到的问题，引出分子设计育种，结合分子设计育种的优点使其应用到水稻的育种中去，从而提高水稻的产量，并且再进一步对水稻分子设计育种进行研究和探索。分子设计育种理论的核心意义是建立以分子设计为目标的技术体系和育种理论,融合并且集合多种技术,在育种家在田间进行正式的试验之前,对影响育种的各种因素进行各种仿真与测试,确立育种者对实现不同育种目标的基因配对型,依据每一种具体育种目标设计品种选择,提出最适合的母本选择和后代选择方法,结合育种者的实践培育出符合设计目标要求的农作物新品种,提高育种的准确性与效率,实现从传统的靠经验进行育种到准确定向的精准育种的转变。分子设计育种融合各种育种技术,是一种高级阶段，高级水平的育种技术。分子设计育种技术作为未来育种理论和技术的方向,我们应该牢牢把握住分子设计育种技术的机遇,合理充分的利用生物信息学和植物基因组学等前沿学科目前的成就,及时深入的开展分子设计育种的基础理论研究,形成具有自主知识产权的分子设计育种技术体系。同时充分利用国内高校的各种资源,齐心协力，科学研究，加强我国分子技术育种人才和梯队的建设，为中国的分子设计育种技术提供坚实的平台和