农业遗传育种面临着巨大的挑战，它不仅要满足人们对农作物产量不断增长和品质不断提高的要求，而且还要针对生态环境的改变让农作物具有抵抗环境变迁和病虫害的能力。在这种情况下，植物育种者只有不断地培育新品种适应新环境，才能满足人类及自然的需求。目前，人们正在开发和应用高预测性和更精确选择的分子育种技术来应对目前的挑战和危机。

过去，人们依靠传统育种方法获取作物新品种，其根据选择的特性确定植物亲本，然后通过杂交、回交或者直系筛选程序来完成。传统育种方法存在着极大的盲目性、经验性、不确定因素和长周期的问题。随着近几年来现代分子生物学技术的发展，特别是第二代测序（NGS）技术以及高通量（High Throughput）DNA筛选技术在作物育种中的应用，植物育种家能够用最经济的手段在最短时间内筛选出所需要的作物品种和特性。过去需要5年至6年或者5代至6代完成的筛选，现在两年或两代就能完成。

目前世界遗传育种研究已从传统的常规育种技术进入依靠生物技术育种阶段。科学家已从单个基因的测序转为有计划、大规模地检测水稻等重要生物体的基因图谱，全世界已有6000多项农作物方面的生物技术研究成果进入田间试验。所有这些都表明，未来世界种子产业竞争的焦点主要是生物技术，尤其是DNA标记辅助育种和基因工程。生物技术向人类展示了种业的巨大发展潜力，创造着农业革命的未来。许多发达国家已明确提出了“向生物技术要产量”的口号。

简单的说，分子育种就是在植物育种领域应用分子生物学技术，其可概括为：数量性状位点图谱或基因测序发现特殊基因位点、分子标记辅助育种、基因组筛选以及基因工程几个部分。分子水平植物遗传育种的实施可帮助人们在最短的时间实现下列目标：1. 大大缩短半野生群体转化为商业用新作物品种的时间；2. 让现存的作物品种尽快适应新的环境压力，如抗病虫害，以及满足人们对其营养成分和形态学的需求；3. 迅速让那些来自相同种类的野生家系的、有价值的特性载入到现存作物中去；4. 容许植物育种家直接操作那些高度复杂的植物特性，如杂种优势和花卉类特性；5. 能够对那些常常被忽略的孤生作物，如小米、山药、根类和块茎类作物等进行有效的遗传选育。

数量性状位点图谱分析与分子标记辅助育种

植物的分子遗传育种应定义为系统的分子生物学工程。要实现植物分子遗传育种的目标，首先要了解选择群体细胞的生理生化特性，以及与之相对应的表型现象。通过分子生物学的技术手段，测定出植物群体实际基因或基因片段的表达与表型现象的内在关联程度，这种关系的确立过程就是基因表达数量性状位点图谱或相关图谱的确立过程。基因图谱表达的与表型相关的基因包括副基因、主基因或者数量性状基因。数量性状位点图谱可以包括单个群体家系, 也可以是不相关个体或多群体家系。它的基本点在于鉴定出基因标记及与之相对应的数量性状特性，这些DNA分子标记可辅助我们筛选和培育所需的作物特性品种和品系。

分析作物的数量性状位点图谱通常要进行多项工作。首先，需要选择那些遗传上有着明显分离的亲本品系，将亲本品系经过杂交产生F1代个体，再将F1代个体进行杂交产生的F2代，或者用其中的亲本之一再与F1代回交产生后代。这些后代群体无论是其表现型和基因型都将表现出最大量的分离类型。其二，必须要有能够区别不同品系的基因标记。这些分子水平的标记物代表着基因型，它不影响我们感兴趣的特性表现型状。目前使用的分子标记技术包括简单序列重复（SSR）、DNA以及新近发展起来的单核苷酸多态性（SNP）和单要素多态性（SFPs）。这些类型的分子标记使我们可以进行基因数量性状位点图谱分析过程。其三，DNA测序技术。过去通常采用第一代测序法即桑格双脱氧测序法进行作物DNA测序，但目前已出现了更先进的第二代测序技术。其四，统计技术应用。如复合间隔图谱分析，这种分析方法能了解一个基因标记或者两个标记物在特性表达上与影响数量性状位点特性之间存在相关关系的可能性，以及同时控制影响性状表现的其他基因标记中的关联关系。分析结果代表着基因染色体在统计学概念上的分布区段，由重组单元（cM）来计量这个区间的相对距离。在同一染色体上，基因重组的距离越近，其关联程度就越近。一般来说与数量性状位点距离在10cM至60cM的DNA标记就可以认为是存在关联关系的基因标记。

检测和开发遗传变异是植物遗传育种的一个重要部分。随着现代科技的发展，应用以DNA为基点的分子标记检测育种品系和种质的遗传变异已成为植物遗传育种领域不可或缺的部分。在过去20年至30年里，多数主要作物已经开发了许多DNA分子标记。其中不少已经成功地用来完成作物数量性状位点图谱的建立，以及用于作为标记辅助筛选的植物遗传育种。

一旦确定了预测作物特性表现型的DNA标记，我们就可以用此DNA标记进行相关特性的育种选择，即作物育种的标记辅助选育。这种选育过程相对比传统的表现型筛选要简单，它可以为我们节约大量的时间、精力和资源。这种选育过程的优势表现在：1. 可以在苗期进行选择；2. 可以进行单株选择。

这些选择优势使我们能够有效地进行目标基因的筛选，尽快地培育出我们希望的品系和品种。标记选择也可以代替表现型选择，这样我们能够不受季节影响进行选育，进而实现在一年里对品系特性进行多代选育。分子水平的作物遗传育种是一个有许多技术细节要考虑的复杂系统工程，从包括基因标记筛选、数量性状位点图谱分析以及基因位点统计分析在内的基础研究以及DNA分子标记辅助选育，直到商品化品种的整个过程都贯穿着高通量的分子检验过程。

高通量植物遗传育种的几个关键技术问题

DNA分子标记技术

利用DNA分子标记的植物分子水平遗传育种是一个复杂的系统过程，是建立在基因型和作物表现型特征相互关联程度上的变化过程。分子标记技术发展到今天已经有近30年的历史。目前国际上已经使用的分子标记技术包括简单序列重复以及近几年开发的单核苷酸多态性和单要素多态性等。这些技术的发展使我们能够针对不同的作物品种，在不同的环境条件下，对不同基因特性实施不同的标记技术。特别是单核苷酸多态性标记技术，它们让人们能够开拓未来的DNA标记领域和筛选出更多的分子标记群体。毫无疑问，第二代测序技术和第三代测序技术的发展为我们更快更有效地发现和开发全新的DNA标记提供了可行的技术基础。

（汤斌）