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国内外的许多研究实例都表明植物染色体工程的用途很广，有目的添加、削减、代换和易位同种或异种染色体（或染色体片段）的方法，可以有效地将外源种（栽培和野生近缘种）中的优异基因转移到目标栽培作物中, 创造出在遗传学和育种研究工作中有重要利用价值的新种质、在生产实践中有重要实用价值的农作物新品种。普通小麦染色体工程已有近80年的发展历史，取得了令人瞩目的成就。但随着遗传学和作物育种学的发展，尤其是多倍体物种分子遗传学、基因组学和作物分子（设计）育种研究的兴起，人们认识到常规染色体工程的进一步发展正面临一系列急待解决的重要问题。因此，常规染色体工程研究面临的问题需要吸纳分子遗传学、基因组学和作物分子育种的最新进展才能得到解决。为此，香山科学会议于2008年10月14～16日召开了以“植物染色体工程和作物分子育种”为主题的第330次学术讨论会。会议由李振声、董玉琛、王道文研究员担任执行主席，邀请了四十余位从事水稻、小麦、玉米、棉花染色体工程基础和应用研究的专家学者与会。
    李振声研究员作了以“植物染色体工程研究的回顾与展望”为主题的总评述报告，从三个层面（当前我国粮食安全和作物单产增加面临的问题、小偃麦染色体工程育种研究的体会、通过染色体工程为常规和分子育种提供优异基因资源）详细分析了染色体工程研究在促进作物遗传改良进步和保障国家粮食安全中的重要作用。他指出植物染色体工程是一门生命力旺盛的学科，有着丰富的科学内涵和系统的技术基础。植物染色体工程研究有辉煌的过去，在将来仍将发挥重要作用，但这种潜力的发挥有赖于常规染色体工程与新兴学科的交叉和结合、从事染色体工程应用研究和染色体结构和功能分析基础研究科学家之间的交流和合作。他进一步指出本次香山科学会议的目的是：交流和总结植物染色体工程研究中已获得的成就和宝贵经验、发现在基因组学和作物分子设计育种时代染色体工程进一步发展的方向和取得更好成绩的途径。
    与会专家对本次会议主题进行了深入讨论。认为保障国家粮食安全和作物育种进步的重大需求是促进染色体工程基础和应用研究发展的主要动力。当前，我国主要粮食作物单产的提高已进入了缓慢的爬坡阶段，我国粮食安全也正受到人口增加、耕地面积减少、全球气候变化、国际粮食价格波动、新的病虫害以及单产难以进一步提高等因素的挑战。这些问题的出现必将促进染色体工程研究的发展，其研究有可能为解决上述问题提供新的线索和资源。为了更有效地发挥染色体工程的作用，既要吸收老一辈遗传学家和育种家研究利用染色体工程的经验，又要与时俱进地吸纳分子遗传学和基因组学的新知识和新技术，增强染色体工程研究的准确性，大幅度提高它的应用效率。考虑到分子设计育种是未来作物遗传改良的重要发展方向，新时期的染色体工程应该与作物分子设计育种研究密切结合。染色体工程材料不仅可以作为分子设计育种的元件，而且也可以成为鉴定和分离新的调控重要农艺性状关键基因的源泉。因此，与分子遗传学、基因组学以及作物分子设计育种研究的交叉和结合，将会给染色体工程的基础、技术和应用研究注入新的、可持续进步的活力。
    与会专家认为我国植物染色体工程研究已积累了六条宝贵经验。①利用染色体工程，既可以创造新物种，又可以改造现有作物种。②外源染色体小片段易位系和单臂易位系（如1BL.1RS易位系）对于改良现有作物种的作用最大。③产生小片段易位系的方法很多，但利用调控普通小麦染色体配对的ph1基因突变体诱导部分同源染色体间配对而产生的遗传平衡易位最为理想。④虽然遗传平衡易位形成的小片段易位系比较理想，但其成功率一般很低。为提高获得小片段易位系的几率，可以采用染色体工程和花粉单倍体工程的结合、利用杀配子染色体的功能、外源染色体单体的不稳定性、或不同染色体代换系间的杂交。⑤利用不同生态环境，从多个层面对易位系进行鉴定，比较全面地评价易位系的利用价值；同时要研究易位系在多个品种背景中的表现，筛选出适合易位系优异性状表达的品种背景。⑥利用小黑麦和小偃麦染色体工程材料（尤其是小麦和偃麦草杂交衍生的后代）培育高产、优质、抗病耐逆和广适小麦品种的成功率较高。利用染色体工程创造新物种在作物遗传改良中应用成效不大的原因主要是在新合成的物种（双二倍体）中，新、老基因组组合带来的遗传变化太大，从而导致早期后代在遗传和性状上的不稳定性。为了利用新合成的双二倍体，必须长期地、有耐心地对其进行遗传研究和选育出性状优异的后代材料。经过多年的遗传和选育研究，目前已获得遗传性状稳定、具有高产潜力的四倍体水稻。因此，植物染色体工程研究，在重视小片段易位系的同时，也应当继续重视新物种的合成和利用。建议从事染色体工程研究的人员应当和一线育种家紧密结合，使他们创制的材料尽快在实际育种工作中得到考察和应用。对于一些重要的材料应该比较全面地衡量它们的性状，从而使染色体工程材料在育种工作中获得更合理和高效的应用。
    与会专家一致认为，近十五年来，植物染色体工程研究在我国没有得到系统地支持。而这一阶段恰好与过去十年我国主要粮食作物单产难以提高的爬坡阶段相对应。考虑到植物染色体工程在保障作物改良进步和国家粮食安全中的巨大作用以及它与新兴学科交叉和结合的必要性和紧迫性，应该尽快在国家层面上立项，使该领域的研究获得持续和稳定的支持，为突破当前我国主要粮食作物单产难以提高的瓶颈做出重要贡献，为形成我国作物遗传改良的持久创新能力奠定基础。
    与会专家以下列中心议题作了评述报告与讨论：
    1、植物染色体工程研究进展和挑战
    我国科学家首次对来自小麦着丝粒的BAC克隆进行了DNA测序分析，揭示了小麦着丝粒区域的一些重要结构特征；利用非对称性细胞融合介导的小麦染色体工程技术体系，有效地将近缘种或远缘种的染色体片段导入普通小麦基因组，对小麦/十倍体长穗偃麦草组合衍生的后代进行了比较系统和详细的分析，发现后代基因组中一般含有多个长穗偃麦草的染色体片段，目前已从这些后代中筛选出了耐逆高产的小麦新品种山融3号等等。在小麦/黑麦染色体工程方面的研究成果，利用多种不同的黑麦品种为供体，创制小黑麦附加系，然后利用黑麦染色体单体附加系建立了高频率诱导小片段易位系的技术体系。利用这些易位系发现了一系列在小麦改良中具有实用价值的新基因，培育出了十余个具有高产、抗病和耐逆的小麦新品种，在生产上获得了大面积应用。
    与会专家的讨论也客观地展示了传统染色体工程研究中一些急待解决的重要问题。可归纳为以下五点：①传统染色体工程无法在分子水平上跟踪基因从供体到受体的转移过程，因而研究带有一定的盲目性，目的性和成功率都比较低；②传统染色体工程研究中最有效的基因转移方式是获得染色体臂或小片段插入易位系。但是这些外源染色体片段，除携带有优异基因外，往往还含有连锁的不良基因，限制了优异基因的广泛利用；③传统染色体工程不能在全基因组水平上衡量外源基因组或染色体片段的移入对受体种基因表达的影响，从而很难深入认识外源基因发挥作用的分子机制，也无法比较全面地在分子水平上判断外源基因对受体代谢、生长和发育的影响；④传统染色体工程研究对造成杂交障碍的分子机理认识不清楚，无法预测物种间杂交成功的几率；⑤在传统染色体工程研究中，基因转移成功与否主要依赖对杂种后代的表型鉴定来判断，耗时、费力并易受到环境因素的影响。
    2、基因组学时代的植物染色体工程
    结构基因组学、功能基因组学、比较基因组学以及进化基因组学的研究范畴和交叉，利用分子遗传学和基因组学知识和资源促进植物染色体工程的研究成为可能。首先，植物基因组遗传作图和分子标记技术的发展提高了植物中有益基因和数量遗传位点（QTL）的发掘效率和目标基因的可跟踪性。第二，应用高通量分子标记和基因型鉴定技术，既可高效而系统地通过染色体工程创制外源染色体小片段渗入系，也可实现对目标基因／染色体片段在供体亲本和杂种后代中染色体位置的精确定位，从而摆脱不良基因的连锁效应。第三，功能基因组学研究技术的进步使分离外源染色体携带的重要基因并深入认识其发挥作用的分子机制提供了可能。第四，对调控普通小麦染色体配对关键基因（Ph1基因）功能的认识将为精细调控部分同源染色体间的配对而创制遗传平衡的小片段易位系提供新的线索。第五，比较基因组学的发展，促进并将进一步深化对植物种进化关系和染色体间亲缘关系的认识，从而使杂交组合的组配和外源基因的导入更有目的性和方向性。第六，结构和功能基因组学的发展，尤其是染色体结构和功能研究的最新进展，已使得人们开始尝试人工染色体的设计和制备，为在未来大幅度提高植物染色体工程研究的精准性和效率提供新手段。
    3、植物染色体工程和作物分子育种
    常规染色体工程创制的、具有重要育种实用价值的小片段易位系，经过分子标记和进一步的优化研究，可以作为分子（设计）育种的元件。对含有Pm21抗白粉病基因的6VS.6AL易位系进行了多轮改良，获得了Pm21的候选基因，还将该基因用于小麦抗白粉病分子育种研究，培育出了多个抗病小麦品种。建立将基因组学和染色体工程研究紧密结合的小麦种质创新平台，通过杂交、回交和分子标记辅助选择等技术的综合应用，创制了多个小麦重要性状的近等基因系群体。。
    张桂权研究员建立了目前世界上规模最大、质量最好的水稻单染色体片段渗入系文库。利用这个文库开展基因分析，鉴定出了一批重要基因的优异等位变异。在此基础上开展了分子设计育种，培育出了稻米品质性状显著改良、产量性状有所改善的水稻新品种，在生产实践中获得了大面积的应用。
    在以往的棉花染色体工程研究中，我国科学家曾取得了辉煌的成就。如中国科学院遗传发育所从1973年开始，经过26年的努力，建成了棉属种间杂交育种体系。获得了15个野生种与栽培种的杂交后代，并选育出多种不同类型的新型种质资源和7个具有高产、优质和多抗的棉花新品种。新品种石远321在我国广大棉区获得了推广应用。
    分子染色体工程研究的重大科学和技术问题与国家目标：
    展望未来，新兴学科的知识和资源以及作物分子设计育种的需求必将促使染色体工程基础和应用研究的飞跃，一门富有深厚科学内涵和蓬勃生机的实验生物学科 — 分子染色体工程 — 将应运而生。分子染色体工程首要解决的重大科学问题是：揭示在人工合成种或优异易位系中外源基因组或染色体片段影响作物基因组功能和重要农艺性状的分子机理；首要解决的重大技术问题是：如何高效地鉴定、跟踪和转移外源种中的优异基因而使其在作物遗传改良中发挥更大的作用。对上述两类问题的深入探讨和认识，将会加速实现分子染色体工程研究的国家目标 — 推动作物遗传改良技术进步和保障国家粮食安全。为了培育和保持我国分子染色体工程理论、技术和应用研究的持久创新能力，为经济社会建设做出基础性、前瞻性和战略性贡献，与会专家一致建议国家立项，优先资助以下五个方面的研究。
    1）妥善保存和继续创新植物染色体工程基础材料（人工合成种、双二倍体、染色体添加系和代换系）；
    2）建立规模化创制、鉴定和评价小片段易位系和渗入系的分子技术体系；
    3）利用小片段易位系和渗入系分离调控主要农艺性状的重要基因；
    4）以玉米和小麦为模式深入开展人工染色体基础和应用研究；分子染色体工程和分子设计育种技术结合培育高产稳产、优质高效、抗病耐逆的农作物新品种。