氣候變遷下的育種新策略 運用分子標誌 大幅縮短選育時程

運用分子標誌輔助育種來進行作物改良,如青割玉米,最大的優勢即在於,可提高選拔效率。(圖片提供/農業知識入口網)
內容提供/《畜產專訊》 文/畜試所飼料作物組 鍾萍

植物育種(plant breeding)是一門藝術的科學,在早期品種選育過程中,以馴化(domestication)選拔合意性狀,使植物適應環境以符合人類栽培所需。一品種的育成需透過遺傳變異,由不同遺傳變異的族群進行選拔,選育出育種家所冀望的品種特性。

遺傳變異可由個體產生自發性的突變、誘變、雜交或引種等方式獲得,由遺傳變異庫產生的多樣化外表型個體,可以提供育種家選拔優良個體彼此相互雜交,不僅可豐富外表型的變異庫,更可培育符合人類栽培所需的新品種。近幾年來現代育種更結合了生物技術的方法,大幅提升育種效率。

傳統育種

現代植物育種可以簡單區分為傳統育種(conventional breeding)和分子育種(molecular breeding),傳統育種的方法有多倍體育種、誘變育種及雜交育種等,創造了現今大部分的栽培品種。

不同品種/系間雜交獲得雜交後代,繼而在雜交後代的分離族群中進行選拔以育成符合生產要求的新品種,稱為雜交育種,這是國內外廣泛應用且有成效的育種方法,透過不同的親本相互雜交而發生基因重組,使後裔產生變異的機會增加,也可從中選出具有優良基因組合的個體,進而培育出新品種。

誘變育種是利用物理、化學或轉基因方式誘發作物產生遺傳變異,依據育種目標,對變異的族群迤行選拔,培育具有價值的新品種,其誘變方式主要分為非基因轉殖的化學誘變劑、物理方法及基因轉殖的TDNA利用與轉位子等方法。然透過不同誘變方法所產生的變異族群,仍需利用傳統的育種程序和選拔方法選育新品種。

分子育種

植物的遺傳物質DNA經由基因的調控丶轉錄丶轉譯等進而影響外表型。藉由以DNA生物技術應用於作物改良是謂「作物分子育種」,主要分為兩大類:第一大類是在傳統的雜交育種中輔以DNA基因型鑑定來選拔子代,此為分子標誌輔助選拔(markerassisted selection, MAS),可以大幅提升選拔效率,縮短育種時程;第二大類則是以遺傳工程組合不同來源的基因,再導入作物基因體,有基因改造或稱基因修飾(genetic modification)技術,將挑選的目標基因連接於載體DNA形成重組DNA,再將此重組DNA轉殖(transformation)入宿主中, 可以達到跨物種間基因平行轉移的基因交流;另一為基因編輯或基因體編輯(gene editing or genome editing)技術,直接以RNA為目標進行編輯,調控轉錄層次的表現,目前受到科學研究和育種產業的矚目。

分子標誌輔助育種

重要的農藝/園藝性狀大都為數量性狀,如產量、開花、株高及甜度等,受多基因調控和環境的交互影響。由於DNA分子標誌的開發,於傳統的雜交子代中以分子標誌進行基因型分析作為選拔依據,可以不受環境影響精準預測基因型,提升選拔效率,也可在幼苗期篩選基因型,減少於田間試驗的子代數量及人力,更可以在非受試環境下檢測基因型。

目前應用的分子標誌可包含3大類,第一類為限制片段長度多型性(restriction fragment length polymorphism, RFLP),使用限制酶對植物基因體DNA進行切割,可產生各品種的DNA片段長度多型性,以分析品種間的遺傳歧異度;第二類以聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction, PCR)為基礎,較廣為應用的有增幅片段長度多型性(amplified fragment length polymorphism, AFLP)、逢機增幅多型性DNA(randomly amplified polymorphic DNA, RAPD)、簡單重複序列(simple sequence repeat, SSR)、簡單重複序列區間(inter-simple sequence repeat, ISSR)等;第三類則以DNA序列資訊為基礎,包括單一核苷酸多型性(single nucleotide polymorphism, SNP)與次世代定序(next generation sequencing, NGS)等 。

不同型態的分子標誌。

分子標誌輔助選育常用於回交選種法,初期篩選兩親本間具多型性的分子標誌,以提供背景選拔(background selection)使用,在找到與標的基因連鎖的分子標誌情況下,可於回交後代中先以該功能性的分子標誌進行前景選拔(foreground selection),選出帶有標的性狀的回交後代,再利用初期篩選的多型性分子標誌來進行背景選拔,可大幅增加選拔效率進而縮短育種時程。

面對全球氣候變遷之際,育種需要提升作物對於生物逆境(如:病蟲害)與非生物逆境(如:溫度、旱澇、鹽分)的抗性。現階段及未來育種的挑戰將是從尚未開發的種原中探勘更多有用的基因,再以分子標誌輔助育種甚至以基因編輯等技術進行作物改良。然而,作物形態的表現仍需要回到田間或溫室栽種,通盤檢視所有的性狀,外表型的選拔在現代的育種過程中仍然是不可或缺的關鍵。


【參考文獻】
Molecular markers for characterization and conservation of plant genetic resources, 2019

本文轉載自2020年12月號《畜產專訊》,原文標題為〈芻料作物育種新策略-分子標誌應用〉