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生物技术在林木育种中的运用

摘要:林木育种是以培育优良品质林木为目的的一门实践性技术。生物技术作为重要的科学手段,在林木育种的过程中起着非常重要的作用。文章概述了林木常规育种技术和生物技术的类型及应用,提出了正确处理常规育种和生物技术关系的思路,并对存在的主要问题和应用前景进行了探讨。

关键词:林木育种;生物技术;应用

林木遗传育种技术程序及过程复杂,主要内容可概括为三部分:首先是良种选育,其次是遗传测定,第三部分是良种的繁殖。优良种质资源是开展良种选育工作的基础,良种选育的方式有多种,目前,主要采用的方式为种源和优树选择、杂交育种及倍性育种等。遗传测定包括子代测定与无性系测定两种方式,“选择—组配—遗传测定”过程是提高品种改良效果的重要环节和根本措施。林木良种繁育的材料主要是通过母树林、种子园和采穗圃等途径获取的,当然也可借助组织培养和胚繁殖等生物技术得以实现。所以说,选育、测定和良种繁殖是一个相互联系、相互依存、相互促进的有机整体[1]。伴随着社会经济发展的需要,在相关基础科学研究不断深入的基础上,林木育种技术也得到了较大发展,生物技术在林木育种中的广泛应用促使林木遗传育种成了目前林学学科研究中的前沿领域。同时,由于林木生长周期漫长的特点,如何达到缩短育种周期及加速育种进程是林木育种工作面对的迫切问题。在此背景下,生物技术理论与常规育种研究成果的结合,拓展了林木育种学科研究工作的深度和广度,为林木遗传改良的高效可持续发展奠定了坚实的理论和技术基础[2]。因此,运用现代生物高新技术进行林木遗传改良研究具有重要的现实意义。

1林木常规育种

遗传变异资源是林木常规育种工作的重要前提条件,利用遗传变异选择获得优良品种,使目的性状在遗传上得到改良是林木常规育种最基本的手段和途径[1,3]。利用树种现有的自然遗传变异资源,借助一系列遗传测定来选择目标遗传材料,通过种源试验及优良单株(家系)选择进行田间试验及繁殖推广。与自然遗传变异不同之处在于人工遗传变异主要是通过人工手段辅助技术来实现的。通过对子代进行遗传性状测定,选择出优良单株(家系)并进行无性繁殖,最后经过无性系测定筛选出优良品系,确定出最优良的遗传材料,用于建立种子园和生产造林,这是常规育种过程中最重要的一环节。同时,也可以利用这些已选好的遗传材料开始新的育种工作,以此过程尽可能获得更多的遗传增益。这里值得注意的是所有的遗传测试或谱系操作都是按先后顺序循序渐进完成的,且都是以前一阶段试验结果为基础的。由于林木的生长周期较长,完成一次从遗传选择到繁殖推广的育种过程需要一个漫长的过程,这也是常规育种工作及技术发展中存在的短版之处[4]。

2生物技术育种的主要类型

生物技术是生物科学与技术科学相结合的产物,是重要的林木育种技术手段。它是综合利用生物学、化学、遗传学等多门学科理论创造新物种的技术总称。生物技术育种的方式主要有分子标记辅助育种、细胞工程、基因工程、诱变育种、倍性育种等[5~9]。主要类型如下:

2.1分子标记辅助育种

分子标记辅助育种,也称为分子标记辅助选择,即通过DNA多态性分子标记技术直接对基因型进行选择的方法,这种方法主要是通过利用易于鉴别的遗传标记来辅助选择。最早用于植物育种辅助选择的标记为形态标记和生化标记两种,通过表现型间接对基因型进行选择,但这种简单的选择方法存在许多缺点。20世纪80年代发展起来的DNA多态性分子标记技术进一步给标记辅助育种工作带来新的突破,这种标记技术是DNA水平上的遗传多态性,通常简称为“分子标记”。通过检测手段对遗传多态性的识别和研究,有助于科研工作者更好地运用遗传学理论来研究生物的变异规律。

2.2基因工程育种

基因工程,又称为分子克隆或重组DNA技术。这种技术主要是通过人工辅助方法,利用重组技术改造和重组各种生物的核酸,也就是通常所说的基因,进一步导入微生物或真核细胞内进行无性繁殖,使重组产生的基因信息在细胞内得以表达,得到人类需要的基因产物。从遗传理论上来讲,基因工程就是将外源DNA分子引入到一种新的生物细胞中,并对产生的新的生物进行繁殖。这种技术恰恰克服了固有的生物种间限制,解决了跨越天然物种屏障的问题,使得定向创造生物的可能性得到进一步提升,这也就是这项重组技术的优点所在。

2.3细胞工程育种

林木细胞工程也是一种新型的生物技术育种手段,此工程技术以植物细胞全能性理论为基础,由德国植物学家哈伯兰德于1920年提出,指在人工控制的特定环境条件或离体无菌条件下,将林木的离体器官组织或细胞培养在人工配制的培养基上,使其生长、分化并成长为完整植株的过程。根据细胞全能性理论,过程大体可划分为诱导和脱分化、继代增殖、分化生芽生根和移栽成活4个阶段,而每一个阶段根据培养的材料和方法的不同而各有差异。利用细胞工程技术进行林木育种,将大大缩短育种周期,加快良种繁殖步伐。同时,将有效克服种子生活力低下以及自然不育性等方面问题,解决了远缘杂种胚早期败育的问题,有效提高了繁育后代的遗传品质。另外,林木细胞工程技术也为林木在倍性育种、杂交育种与基因工程等方面提供了重要理论基础及技术支持。

2.4诱变育种

诱变育种技术原理为利用理化因素诱导植物产生遗传性变异,通过从变异后代中进行品种选择,培育出新品种的育种方法。诱变育种根据诱变因素及机理的不同,可分为物理诱变和化学诱变两种。化学诱变是利用化学药剂对目标植株进行遗传性变异诱发处理的方法。物理诱变是利用各种射线、波段、激光等物理因素处理植物而诱发可遗传变异的方法。目前,应用最广泛的诱变育种技术是辐射育种。

2.5倍性育种

倍性育种技术是指利用染色体倍性变异的理论基础,在特定条件下辅助人工手段诱发植物染色体数目发生变异,通过选育进而获得植物新品种的一种生物技术育种方法。根据诱变染色体数目的不同,可分为多倍体育种与单倍体育种两种类型。多倍体育种的方式多样,主要一是通过人工手段技术诱发植物染色体加倍形成多倍体,二是通过配子未减数的途径,也可产生各种多倍体。但自然存在的染色体变异的概率非常低,仅依靠此途径来满足倍性育种工作需求存在困难。所以,目前多倍体育种主要依靠的方法还是人工方式诱导多倍体的产生,主要的方法手段有化学试剂与物理因素诱导、细胞融合以及胚乳组织培养等。单倍体育种与多倍体育种相比的不同之处在于:此方法是利用人工诱变手段使植物单倍体加倍变为纯合二倍体,通过选育获得新品种的方法。雄配子体培养是目前应用最广泛的单倍体育种方法,此方法具有自然界存在数量大,离体培养过程中操作技术简便,易于实施人工诱变等诸多优点。目前,林木倍性育种应用领域主要依赖的途径主要是通过单倍体育种技术得以实现的。

3生物技术在林木育种中的应用及意义

生物技术在林木育种中的应用及意义主要体现在:一是深化与丰富了育种目标的意义及内涵。将育种的目标深入到了分子的水平上,育种的目标包括基因的分离和鉴定、体外修饰与改造,导入植物体后基因的表达及其监测、基因的失活或活化等。通过生物技术的进一步应用,从根本上深化了育种的意义,丰富了育种工作的内涵。二是突破品种与遗传障碍,实现外源基因导入完成远缘杂交。树木在生长过程中,会面临难以克服的病虫害及品质等方面的问题,自然存在的某些林木个体变异资源凭借传统育种技术不易被发现。通过现代生物技术在林木育种领域中的应用,来自于植物、微生物中分离获得的大量外源基因以及借助于多途径的基因转移技术,可以实现跨越品种和遗传障碍完成远缘杂交,以获得遗传性状优良的林木资源。三是克服了林木生长时间局限性,提高了林木优良性状选择的精度,提高了育种工作效率。通过生物技术的应用,将育种目标定义在分子水平上的同时,林木育种优良性状选择精度将也随之得到了提高。在选择产生的世代中,利用DNA探针技术或通过生化免疫分析可以精确地识别特定的目标等位基因及产物[9]。另外,目标基因一旦发生变化,可以及时发现并在早期进行识别,而不必等到林木长成植株或成熟以后,克服了林木生长时间局限性,大大地提高了育种工作效率。

4小结与讨论

经过几代林业人的不懈追求与努力,我国的林木育种技术有了长足的发展,技术手段与相关研究成果已位居领域前沿。就目前所取得的研究技术与成果而言,只要是能想到的方法及可行的思路,在现有的技术手段下基本都可将其实现。但不可忽视的问题是任何一项技术都存在自身的缺陷,下面就林木生物育种技术与传统常规育种技术现存在的问题及两者之间的关系进行简单的探讨。一是在实际的育种工作过程中,有两大难题长期困扰着育种工作者,一是培育新品种现存的基因得不到满足,虽可通过多次复合杂交来积累有关目的基因,但育种的时间太长受到限制。二是基因存在的协调问题,当外来基因被引入到原有的基因群体中的协调问题[10~11]。依靠传统育种方法,这两个问题很难从根本上得到解决,而生物技术虽然有了理论准备,但实际操作中仍存在着相当大的难度。根据达尔文进化论思想,一个生物的存在都是优胜劣汰适应环境的结果,生物的控制系统都是长期进化所得到的产物,新的基因的导入必将对生物原有基因组的遗传控制系统产生干扰现象,因此,导入的外源目的基因并不一定都会达到目的,产生预期的效果。所以,林木传统育种与生物技术育种是相互依存、相互促进的一个有机整体,目前在较完备的传统育种技术体系的基础上,生物技术在林木育种领域中的应用未来与发展前景广阔。二是生物技术在林木育种领域的应用所产生的效益显著,但目前已建立起来的较完备的传统育种技术体系仍然占据着主体地位,不过无论采用哪一种新的技术和方法所得到的新的品种及品系,最终都必须通过田间试验来确定其形状表现的稳定性,因此,在林木培育的技术研究与生产活动中,必须将生物技术育种与常规育种方法相结合。两者之间的关系是相辅相成的关系,而不是一个取代另一个的关系,育种学的发展未来将是生物技术理论和传统育种体系相互补充、有机结合的学科[12]。在林木育种未来发展过程中,仍需要将这两种技术更好地结合起来,互相取长补短、互相促进,为我国的林业育种工作提供可靠的科学依据。

参考文献:

[1]沈熙环.林木育种学[M].北京:中国林业出版社,1990.

[2]毕影东,杨传平.生物技术在林木遗传育种中的应用[J].世界林业研究,2007(06):23-28.

[3]徐纬英,张培杲.我国林木良种工作回顾与展望[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,1987.

[4]郑勇奇.常规林木育种研究现状与发展趋势[J].世界林业研究,2001,14(03):10-17.

[5]张德强,张志毅,杨凯.杨树分子标记研究进展[J].北京林业大学学报,2000,22(06):79-84.

[6]张德强,张志毅,杨凯,等.分子标记技术在杨树遗传变异及系统分类中的应用[J].北京林业大学学报,2001,23(01):76-80.

[7]贺成林,李云.杨树基因工程研究进展[J].河北林果研究,2004,19(01):82-89.

[8]饶红宇,黄敏仁.杨树基因工程研究的现状及展望[J].林业科技开发,1999(04):3-6.

[9]张志毅,林善枝,张德强,等.现代分子生物学技术在林木遗传改良中的应用[J].北京林业大学学报,2002(Z1):254-265.

[10]陈道雷.我国生物技术在农业生产中的应用及存在的问题研究[D].重庆:西南大学,2013.

[11]张蓓蕾.生物技术立法价值取向冲突问题研究[D].昆明:昆明理工大学,2011.

[12]刘红.国家林木种苗发展战略研究[D].南京:南京林业大学,2011.

作者:王强 单位:内蒙古自治区林业监测规划院

 

  发布时间:2018/11/30 14:47:01  阅读人次