，，

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 大豆分子設(shè)計(jì)育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130102;2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 大豆分子設(shè)計(jì)育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

大豆是世界上重要的糧油作物，是人類優(yōu)質(zhì)蛋白的主要來(lái)源，為全世界提供了30%的脂肪和60%的植物蛋白質(zhì)來(lái)源。大豆起源于中國(guó)，在18世紀(jì)由我國(guó)傳至西方。1938年以前，我國(guó)大豆種植面積居世界第一，產(chǎn)量接近世界的90%。在1952年，我國(guó)大豆產(chǎn)量仍占世界的50%左右。第二次世界大戰(zhàn)后，世界上對(duì)植物油及飼用蛋白的需求急劇增加，世界大豆生產(chǎn)獲得飛躍發(fā)展。但近幾十年來(lái)我國(guó)大豆生產(chǎn)發(fā)展緩慢，總產(chǎn)量徘徊不前，目前的總產(chǎn)量?jī)H為世界大豆產(chǎn)量的4%左右。而隨著我國(guó)人民生活水平的提高，對(duì)大豆的需求急劇增加，供需矛盾日益突出。為滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要，自1995年起我國(guó)開(kāi)始進(jìn)口大豆，進(jìn)口量逐年攀升，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，目前大豆的進(jìn)口量已達(dá)總需求量的80%。中國(guó)大豆生產(chǎn)發(fā)展緩慢的主要原因是單產(chǎn)水平低，種植效益低于玉米、水稻等作物，導(dǎo)致種植面積的持續(xù)下滑；同時(shí)，由于國(guó)產(chǎn)大豆含油量低于進(jìn)口大豆，致使大豆壓榨企業(yè)更趨向于選擇加工效益更高的進(jìn)口大豆。

長(zhǎng)期以來(lái)，利用常規(guī)育種方法，我國(guó)已培育出的1000余個(gè)大豆品種，為保障國(guó)家的需求做出了重要的貢獻(xiàn)。但隨著重要基因資源的逐步挖掘，利用傳統(tǒng)育種的方法進(jìn)行新品種選育的困難越來(lái)越多；同時(shí)，傳統(tǒng)育種易受不良基因連鎖的影響，育種效率較低，周期長(zhǎng)，需要進(jìn)行育種技術(shù)的升級(jí)改進(jìn)。目前分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外大豆育種實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外大豆育種實(shí)踐中也取得了巨大的成就，轉(zhuǎn)基因大豆已經(jīng)成為世界上種植面積最大的轉(zhuǎn)基因作物。

隨著全基因測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展和植物功能基因組研究的巨大進(jìn)步，作物品種分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)已經(jīng)在水稻等作物上取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，顯示出比其他育種手段更為突出的優(yōu)越性，是今后作物育種技術(shù)發(fā)展的方向，也成為推動(dòng)世界大豆生產(chǎn)的重要手段。2010年大豆全基因組測(cè)序完成后，大豆功能基因組學(xué)的研究呈現(xiàn)突飛猛進(jìn)的局面，為大豆分子設(shè)計(jì)育種研究提供了優(yōu)良的基因資源，為大豆分子設(shè)計(jì)育種真正成為提升大豆育種水平的手段奠定了基礎(chǔ)。本文主要對(duì)目前國(guó)內(nèi)外大豆分子設(shè)計(jì)育種的研究進(jìn)展進(jìn)行比較，分析未來(lái)大豆分子設(shè)計(jì)育種研究發(fā)展的趨勢(shì)，以期為推動(dòng)我國(guó)大豆分子育種工作提供參考。

1 大豆分子設(shè)計(jì)育種研究現(xiàn)狀

利用設(shè)計(jì)的手段進(jìn)行育種是育種科學(xué)家一直追求的目標(biāo)。荷蘭科學(xué)家Peleman和Van der Voort在2003年首次比較全面地提出了作物品種分子設(shè)計(jì)育種的內(nèi)涵和策略[1]，隨后被逐漸廣為接受并在近年被不斷的完善[2-9]。分子設(shè)計(jì)育種的核心是基于對(duì)控制作物各種重要性狀的關(guān)鍵基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)，利用生物技術(shù)等手段獲取或創(chuàng)制優(yōu)異種質(zhì)資源作為分子設(shè)計(jì)的元件，根據(jù)預(yù)定的育種目標(biāo)，選擇合適的設(shè)計(jì)元件，通過(guò)系統(tǒng)生物學(xué)的手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)元件的組裝，培育目標(biāo)新品種。對(duì)于作為分子設(shè)計(jì)育種關(guān)鍵的設(shè)計(jì)元件的認(rèn)知，隨著研究的深入在不斷的發(fā)展，由最初的QTL逐步向基因片段、分子模塊和基因轉(zhuǎn)變，相信隨著對(duì)于控制作物性狀基因方式認(rèn)識(shí)的深入，將會(huì)最終實(shí)現(xiàn)在基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)層次上的解析。

與其他的育種技術(shù)相比較，分子設(shè)計(jì)育種將實(shí)現(xiàn)在基因水平上對(duì)農(nóng)藝性狀地精確調(diào)控，解決傳統(tǒng)育種易受不良基因連鎖影響的難題，大幅度地提高育種效率，縮短育種周期。與分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)相比較，其精準(zhǔn)性和可控性極大提升；轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)將會(huì)在分子設(shè)計(jì)育種研究中得到充分利用，以基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的多基因疊加和整合轉(zhuǎn)基因技術(shù)將會(huì)發(fā)揮更為充分的作用。

我國(guó)科學(xué)家在作物分子設(shè)計(jì)研究的理論和實(shí)踐上均取得了重要的研究成果。萬(wàn)建民[10-11]，錢(qián)前[12]，黎裕[13]，王健康[13-14]等對(duì)于分子設(shè)計(jì)育種的研究理論和步驟進(jìn)行了系統(tǒng)論述：認(rèn)為分子設(shè)計(jì)育種是通過(guò)多種技術(shù)的集成與整合，對(duì)育種程序進(jìn)行模擬和優(yōu)化，提出最佳的符合育種目標(biāo)親本選配和后代選擇策略，以提高作物育種的預(yù)見(jiàn)性和育種效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)育種向高效精確育種的轉(zhuǎn)化。分子設(shè)計(jì)育種的研究包括研究目標(biāo)性狀的控制基因以及這些基因間的相互關(guān)系、根據(jù)不同生態(tài)環(huán)境條件下的育種目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)基因型和根據(jù)選育目標(biāo)基因型的途徑分析制定品種育種方案三大步驟。目前我國(guó)科學(xué)家在水稻產(chǎn)量、水稻株型設(shè)計(jì)、水稻的品質(zhì)設(shè)計(jì)等研究上取得了很大的進(jìn)展[11,15-20]。最近，中國(guó)科學(xué)院薛勇彪、種康等人提出了“分子模塊設(shè)計(jì)育種”的新型育種理念，其核心是解析功能基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的可遺傳操作的功能單元(分子模塊)，采用計(jì)算生物學(xué)和合成生物學(xué)等手段將這些模塊有機(jī)耦合，系統(tǒng)地發(fā)掘分子模塊互作對(duì)復(fù)雜性狀的綜合調(diào)控潛力，實(shí)現(xiàn)模塊耦合與遺傳背景及區(qū)域環(huán)境三者的有機(jī)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，發(fā)揮分子模塊群對(duì)復(fù)雜性狀最佳的非線性疊加效應(yīng)，從而有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性狀的定向改良[16,21]。這些理論的提出對(duì)于豐富和發(fā)展作物分子設(shè)計(jì)理論具有重大的推動(dòng)作用。相信相關(guān)項(xiàng)目的啟動(dòng)，將會(huì)使我國(guó)的作物育種水平獲得一個(gè)質(zhì)的飛躍。

我國(guó)大豆分子育種的研究工作主要集中在分子標(biāo)記輔助育種、新基因挖掘方面以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)和轉(zhuǎn)基因品種的開(kāi)發(fā)研究上。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)和鑒定了多個(gè)與產(chǎn)量、發(fā)育、品質(zhì)、抗病和抗逆等性狀相關(guān)的新的分子標(biāo)記和QTL；克隆了與光周期反應(yīng)、共生固氮、產(chǎn)量、品質(zhì)及抗逆性相關(guān)的多個(gè)基因；獲得了一批具有抗蟲(chóng)、耐除草劑等的轉(zhuǎn)基因大豆新品系和種質(zhì)。邱麗娟、蔣炳軍和曲夢(mèng)楠等對(duì)于此領(lǐng)域的研究已做了專門(mén)的論述[22-27]，本文不再贅述。大豆的基因組復(fù)雜，大部分的基因組可能經(jīng)歷了四倍體化，使得大豆分子設(shè)計(jì)育種的研究相對(duì)滯后于水稻等作物。2010年大豆基因組測(cè)序的完成[28]，極大地推動(dòng)了大豆分子設(shè)計(jì)育種的研究，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究開(kāi)始進(jìn)入了迅速發(fā)展階段，特別是在全基因組水平上解析大豆重要農(nóng)藝性狀的工作越來(lái)越多，大豆重要的生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)在不斷地完善，對(duì)于大豆重要農(nóng)藝性狀的分子設(shè)計(jì)研究工作也正在逐步地展開(kāi)[29-32]。

2 基因組學(xué)研究在大豆分子設(shè)計(jì)育種中的應(yīng)用

全基因組信息是開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種的重要基石。大豆基因組序列草圖的完成，使得在全基因組水平上開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種工作成為可能，并成為目前大豆分子設(shè)計(jì)育種研究最為活躍的領(lǐng)域。2010年美國(guó)農(nóng)業(yè)部、美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所和普渡大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)完成了大豆基因組序列草圖的測(cè)定,證實(shí)大豆基因組約為1.1Gb，預(yù)測(cè)存在46 430個(gè)編碼蛋白質(zhì)基因，大豆基因組中包含有大量的重復(fù)序列，其中75%的基因存在多個(gè)拷貝,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了基因組的大量復(fù)制及“巢式”復(fù)制，復(fù)雜和龐大的基因組給基因芯片和生物信息學(xué)技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)[28]。2010年，香港中文大學(xué)、華大基因研究院、農(nóng)業(yè)部、中國(guó)科學(xué)院等單位合作開(kāi)展了“大豆回家”項(xiàng)目，研究人員運(yùn)用新一代測(cè)序技術(shù)對(duì)17個(gè)野生大豆和14個(gè)栽培大豆進(jìn)行了全基因組重測(cè)序，建立了高密度的分子標(biāo)記圖譜[33]。通過(guò)對(duì)野生大豆和栽培大豆進(jìn)行組裝，鑒定出了18萬(wàn)個(gè)兩種大豆中的缺失變異(PAVs)，發(fā)現(xiàn)了栽培大豆中獲得以及丟失的基因。韓國(guó)科學(xué)家在2010年發(fā)表了野生大豆IT182932株系的測(cè)定結(jié)果[34]，證實(shí)野生大豆與栽培大豆存在0.31%的差異(包括2.5 Mb的堿基替換和406 kb的小的插入和缺失)，野生大豆與栽培大豆的分化約出現(xiàn)在0.27 MYA，遠(yuǎn)早于6000年-9000年的人工馴化過(guò)程，因此在野生大豆中存在更加豐富的遺傳多樣性，為解決人類的選擇造成的生物多樣性變窄提供了良好的遺傳資源。2014年7月，香港中文大學(xué)、深圳華大基因研究院等單位的科研人員聯(lián)合完成了野生大豆W05的全基因組測(cè)序工作，從中發(fā)現(xiàn)了新的耐鹽基因——GmCHX1，該基因能夠在鹽脅迫條件下維持較低的鈉離子與鉀離子比率，從而增強(qiáng)大豆的耐鹽性[35]，這為通過(guò)解析野生大豆的優(yōu)良性狀實(shí)現(xiàn)品種改良提供了很好的借鑒。2014年10月，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所等多家單位完成了對(duì)選取來(lái)自東北、華北、黃淮、華南、日本、韓國(guó)及俄羅斯的7株地區(qū)代表性野生大豆品種的泛基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)栽培大豆受選擇的基因多與抗旱有關(guān)，而野生大豆中受選擇基因則呈現(xiàn)多樣化，不同地理區(qū)域來(lái)源的野生大豆受到了不同環(huán)境選擇，從中鑒定出大量與重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的基因和變異[36]，為分子設(shè)計(jì)育種提供了重要的基因資源。因此，在全基因組水平上進(jìn)行大豆的分子設(shè)計(jì)育種工作將成為該領(lǐng)域最重要的研究?jī)?nèi)容之一。

利用遺傳學(xué)和基因組學(xué)相結(jié)合手段分離大豆重要農(nóng)藝性狀相關(guān)重要基因的工作近年來(lái)也取得很快的進(jìn)展，并在個(gè)別性狀基因調(diào)控網(wǎng)的解析上取得了突破，為大豆分子設(shè)計(jì)育種提供了重要的分子元件。大豆的生育期(開(kāi)花期與成熟期)是決定大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，其由控制大豆開(kāi)花期和成熟期的多基因位點(diǎn)決定。經(jīng)典遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了10個(gè)與開(kāi)花期相關(guān)的基因，除與“長(zhǎng)童期”相關(guān)的J位點(diǎn)外，其余習(xí)慣稱為E系列(E1至E9)基因。迄今已明確E1、E2、E3、E4、E9和GmFTs等位點(diǎn)的功能基因，并進(jìn)行了相關(guān)的功能驗(yàn)證，初步闡明了大豆生育期的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[37-42]。研究發(fā)現(xiàn)，大豆生育期基因E1對(duì)大豆的開(kāi)花期及成熟期的影響最大，是豆科植物特有的新轉(zhuǎn)錄因子，其含有一個(gè)雙邊的核定位信號(hào)(NLS)和DNA結(jié)合位點(diǎn),并含有一個(gè)與B3遠(yuǎn)緣相關(guān)的結(jié)構(gòu)域。E1的表達(dá)在短日照條件下受到明顯抑制，與大豆為短日植物特性密切關(guān)聯(lián)，處于開(kāi)花期基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的中樞地位[37]。E2基因?yàn)镚IGANTEA的同源基因，該基因?qū)庵芷诜磻?yīng)影響較小，具有受外在的環(huán)境影響較小的特性，因此在育種實(shí)踐上具有很廣闊的應(yīng)用前景[43]。E3基因?yàn)镚mPhyA3，其受控于E1，在e1遺傳背景下，E3的功能得不到充分發(fā)揮[39]。E4基因?yàn)楣饷羯豍hytochrome A基因3個(gè)拷貝之一GmPHYA2，e4基因型需在隱性e3基因型存在時(shí)，才導(dǎo)致光周期不敏感性。E9基因被精細(xì)定位到16號(hào)染色體上介于標(biāo)記M5和M7之間的245 kb區(qū)間內(nèi)，其中分子標(biāo)記ID1的等位變異類型與F2群體的開(kāi)花期及成熟期變化顯著相關(guān)[40]。大豆FT基因的同源基因GmFT2a和GmFT5a被證明對(duì)大豆開(kāi)花起主要促進(jìn)作用[41,44-47]，GmFT4雖然屬于FT家族蛋白，但功能與GmFT2a/5a相反，是大豆開(kāi)花的抑制因子。大豆中開(kāi)花抑制因子GmFT4與開(kāi)花促進(jìn)因子GmFT2a/5a之間的平衡，決定著大豆的開(kāi)花與成熟[42]。同時(shí)，大豆光周期調(diào)控途徑諸多調(diào)控因子的相關(guān)基因也已經(jīng)被鑒定，詳見(jiàn)夏正俊等的近期綜述[48]，利用這些基因解析大豆生育期的工作已經(jīng)逐步展開(kāi)[36,49-51]，為大豆分子設(shè)計(jì)育種研究提供了很好的突破口。同時(shí)，大豆的株型控制基因、莢粒數(shù)基因、裂莢基因、結(jié)瘤基因、抗蟲(chóng)抗病基因、耐生物脅迫基因、種子脂肪酸組成和營(yíng)養(yǎng)成分關(guān)鍵調(diào)控基因的研究也已取得重要進(jìn)展，相關(guān)工作已有綜述[23,24,26,52,53]，這些基因功能的鑒定為大豆分子設(shè)計(jì)育種研究的開(kāi)展提供了重要基礎(chǔ)。

3 轉(zhuǎn)基因技術(shù)在大豆分子設(shè)計(jì)育種中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)在大豆育種中取得了巨大的成功，以孟山都和先鋒種業(yè)為代表的跨國(guó)公司在轉(zhuǎn)基因大豆育種中已取得了顯著成績(jī)。轉(zhuǎn)基因作物自商業(yè)化種植以來(lái)，轉(zhuǎn)基因大豆的全球種植面積在轉(zhuǎn)基因作物中處于領(lǐng)先地位。2103年，轉(zhuǎn)基因大豆面積種植面積為8 450萬(wàn)hm2，占大豆全球總種植面積的79%，其中大豆主要生產(chǎn)國(guó)美國(guó)、巴西和阿根廷的轉(zhuǎn)基因種植面積比例分別達(dá)到了93%、92%和100%。目前世界上批準(zhǔn)商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因大豆轉(zhuǎn)化體有25個(gè)，其中21個(gè)是抗除草劑轉(zhuǎn)化體(含4個(gè)抗除草劑和其他性狀的復(fù)合性狀)，5個(gè)是與品質(zhì)性狀有關(guān)，3個(gè)是與抗蟲(chóng)性狀有關(guān)(http://www.isaaa.org/)。新的轉(zhuǎn)基因技術(shù)與產(chǎn)品也已經(jīng)或即將推向市場(chǎng)，例如：孟山都公司2012年已推出第二代轉(zhuǎn)基因耐草甘膦RR2 Yield大豆品種；先鋒公司已推出對(duì)草甘膦有更高抗性的Optimum TMGATTM轉(zhuǎn)基因大豆；拜耳公司也推出Liberty-link 抗除草劑轉(zhuǎn)基因大豆品種[54-55]。利用轉(zhuǎn)基因手段，聚合多個(gè)優(yōu)良性狀已是今后的發(fā)展趨勢(shì)，該技術(shù)目前在第二代抗除草劑大豆、食用及飼用大豆、抗蟲(chóng)大豆、優(yōu)質(zhì)和高附加值大豆育種方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，培育出高油酸等類型的轉(zhuǎn)基因大豆品種[54-58]。我國(guó)科學(xué)家在抗逆、抗病蟲(chóng)、抗除草劑和品質(zhì)改良轉(zhuǎn)基因大豆育種方面也取得了一定的進(jìn)展。利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法和雜交轉(zhuǎn)育技術(shù)將抗旱基因、耐鹽堿基因、耐高溫抗逆基因?qū)氩煌鷳B(tài)區(qū)大豆品種中，獲得了一批抗逆轉(zhuǎn)基因材料，完成了國(guó)家“中間試驗(yàn)”和“環(huán)境釋放”，并獲得 “環(huán)境釋放”證書(shū)，為大豆轉(zhuǎn)基因新品種產(chǎn)業(yè)化提供了重要材料[26,59-70]。

對(duì)于目標(biāo)基因的定向遺傳改良，是實(shí)現(xiàn)在基因水平上進(jìn)行分子設(shè)計(jì)育種的理想手段。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，基因的定向敲除技術(shù)逐步成熟，為大豆的定向分子設(shè)計(jì)育種提供了有力的手段。最近發(fā)展起來(lái)的鋅指核酸酶(Zinc-Finger Nucleases，ZFNs)、轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶(Transcription Activator-Like Effectors Nucleases,TALENs)和規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)序列/Cas系統(tǒng)(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/Cas system,CRISPR/Cas)等技術(shù)為基因定向遺傳改造提供了強(qiáng)有力的工具[71-88]。鋅指核酸酶(ZFNs)已經(jīng)在大豆中成功的應(yīng)用[89]，但由于脫靶效應(yīng)嚴(yán)重，而且很難完全找到符合條件的匹配鋅指結(jié)構(gòu)，因而限制了該技術(shù)的發(fā)展和推廣。目前已經(jīng)利用TALENs技術(shù)對(duì)大豆兩種脂肪酸去飽和酶(FAD2-1A、FAD2-1B)進(jìn)行定點(diǎn)敲除，獲得了不飽和脂肪酸改良的可遺傳大豆種質(zhì)，其油酸含量從原來(lái)的20%提高到80%，亞油酸含量從原來(lái)的50%下調(diào)為4%[90]，預(yù)測(cè)該類新技術(shù)將在大豆分子設(shè)計(jì)育種中發(fā)揮重要作用。與ZFNs 和TALENs相比，CRISPR/Cas 系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，并且更容易操作。國(guó)內(nèi)外的不少實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)始嘗試?yán)肅RISPR/Cas系統(tǒng)對(duì)大豆的基因進(jìn)行定向改造，其在今后的分子設(shè)計(jì)育種上具有巨大的潛力。

轉(zhuǎn)基因大豆新品種的商業(yè)化種植及應(yīng)用已成為全球化的發(fā)展趨勢(shì)，今后隨著更加安全的轉(zhuǎn)基因技術(shù)和多基因定向改良技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因技術(shù)將在大豆分子設(shè)計(jì)育種上起到至關(guān)重要的作用。

4 系統(tǒng)生物學(xué)手段在大豆分子設(shè)計(jì)育種中的應(yīng)用

要真正實(shí)現(xiàn)從基因水平到作物品種性狀的分子設(shè)計(jì)，必須了解作物在基因、細(xì)胞、器官、個(gè)體到群體不同層次上的組織方式和調(diào)控規(guī)律，這需要對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行整體的研究。系統(tǒng)生物學(xué)作為在整體水平上研究生命現(xiàn)象的一門(mén)新興科學(xué)，將在未來(lái)的分子設(shè)計(jì)育種上發(fā)揮更加重要的作用。系統(tǒng)生物學(xué)是研究一個(gè)生物系統(tǒng)中所有組成成分(基因、mRNA、蛋白質(zhì)等)的構(gòu)成，以及在特定條件下這些組分間的相互關(guān)系的學(xué)科，從分子、細(xì)胞、器官到機(jī)體和從個(gè)體、群體到生態(tài)系統(tǒng)不同層次上進(jìn)行生物信息的整合和定量化，將生物學(xué)由描述性的科學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榭啥炕湍茴A(yù)測(cè)的科學(xué)[91-92]。系統(tǒng)生物學(xué)從系統(tǒng)層次對(duì)生物系統(tǒng)的模擬和設(shè)計(jì)將為作物品種的分子設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，其利用基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組和表型組等組學(xué)的海量數(shù)據(jù)，研究不同品種間的分子差異和影響，研究環(huán)境因素在不同品種間的作用過(guò)程，建立數(shù)學(xué)模型評(píng)估基因、蛋白質(zhì)、代謝水平的變化和差異，闡明個(gè)體和群體的生物效應(yīng)[91-94]。系統(tǒng)生物學(xué)的概念從Leroy Hood在2003年提出以來(lái)，很快被生物學(xué)界所接受，在藥物的開(kāi)發(fā)和疾病的診治上取得很快的進(jìn)展[95-98]，可以預(yù)期很快將會(huì)在植物學(xué)研究上有較大的突破。

目前，作為系統(tǒng)生物學(xué)重要組成部分的生物信息學(xué)已經(jīng)在作物育種實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，成為新品種選育不可缺少的重要工具。國(guó)際上已經(jīng)建立了多個(gè)大豆的數(shù)據(jù)庫(kù)可用于大豆生物信息的分析研究，譬如：Soybase網(wǎng)站(http://soybase.ncgr.org/)是目前信息最為全面的大豆數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括遺傳圖譜、基因、基因組序列、分子標(biāo)記、QTL等信息；SFGD網(wǎng)站(http://bioinformatics.cau.edu.cn/SFGD/)提供了大豆多個(gè)大豆基因表達(dá)譜和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、基因的共表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和miRNA靶位點(diǎn)代謝途徑的信息；Phytozome 網(wǎng)站(http://phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html)提供了大豆等多種植物的基因組信息；Soybean Proteome Database網(wǎng)站(http://proteome.dc.affrc.go.jp/Soybean/)提供了大豆蛋白質(zhì)組，轉(zhuǎn)錄組和代謝組的數(shù)據(jù)；SoyMetDB網(wǎng)站(http://soymetdb.org/)提供了大豆代謝組的數(shù)據(jù)；國(guó)家大豆種質(zhì)資源表型數(shù)據(jù)庫(kù)(http://icgr.caas.net.cn/)提供了我國(guó)大豆種質(zhì)資源的信息。這些數(shù)據(jù)庫(kù)為大豆的分子設(shè)計(jì)育種提供了大量的信息資源，為大豆系統(tǒng)生物學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。

目前國(guó)際上在農(nóng)作物品質(zhì)、組分、形態(tài)檢測(cè)等方面大量采用了自動(dòng)化技術(shù)，開(kāi)發(fā)出多種植株田間綜合性狀檢測(cè)設(shè)備，譬如，集脫粒、稱重、測(cè)水分、包裝于一體的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，可以對(duì)種子表型進(jìn)行高通量快速檢測(cè)。有關(guān)跨國(guó)種子公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從籽粒激光切削取樣到DNA提取、引物加注、PCR擴(kuò)增、生物信息讀取、目標(biāo)樣品選擇等的全程自動(dòng)化。這種以性狀和基因信息數(shù)據(jù)采集和處理分析為基礎(chǔ)，對(duì)單粒種子表型定量化分析，基因型多位點(diǎn)分析，對(duì)于育種流程進(jìn)行信息化管理的工作模式，已經(jīng)顯現(xiàn)出分子設(shè)計(jì)育種的雛形，為最終實(shí)現(xiàn)分子設(shè)計(jì)育種的目標(biāo)提供了設(shè)備條件和信息化處理經(jīng)驗(yàn)，相信隨著系統(tǒng)生物學(xué)研究在基因-表型計(jì)算模型的不斷完善，大豆的分子設(shè)計(jì)育種將成為現(xiàn)實(shí)。

5 展 望

目前，我國(guó)育成的大豆品種主要還是通過(guò)常規(guī)育種方法所獲得；通過(guò)我國(guó)科學(xué)家的不懈努力，大豆分子標(biāo)記輔助育種在我國(guó)已經(jīng)得到快速發(fā)展，轉(zhuǎn)基因育種也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這為大豆分子設(shè)計(jì)育種工作的開(kāi)展提供了良好的基礎(chǔ)。同其他作物一樣，建立基因型-表現(xiàn)型的系統(tǒng)生物學(xué)模型是今后大豆分子設(shè)計(jì)育種的瓶頸。隨著大豆基因組學(xué)研究的深入，基因型的大規(guī)模鑒定將會(huì)很快得到解決，在定量分析基礎(chǔ)上的表型組學(xué)研究和各種育種計(jì)算模型的建立將會(huì)成為大豆分子設(shè)計(jì)育種的主要挑戰(zhàn)。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的大豆育種將會(huì)處于常規(guī)育種和大豆分子標(biāo)記輔助育種、大豆轉(zhuǎn)基因育種以及大豆分子設(shè)計(jì)育種并存的局面，幾種育種方式會(huì)被交互使用，相輔相成；而分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)在大豆育種的作用將會(huì)不斷地被認(rèn)知，并在育種實(shí)踐中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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