應繼鋒 劉定富 趙 健

（1 中國水稻研究所，杭州 310006；2 華智生物技術有限公司，長沙 410125；3 武漢金玉良種科技有限公司，武漢 430064）

根據(jù)預測，到2050 年，全球平均氣溫將從2016年的14.7℃上升至16.0℃，因病蟲害帶來的作物產量損失將從2016 年的10%～15%增加至20%～25%，而人口將從目前的75.79 億增長至88 億，土地人均占有量將從2016 年的0.2hm2下降至0.15hm2[1]，這意味著全球農業(yè)和糧食生產都面臨著巨大壓力。品種改良和栽培、生產技術的提升是保障農業(yè)和糧食安全的有效途徑，作物產量的提高有50%來自品種的改良。但栽培、生產技術對作物產量的提升作用仍受限于作物的品種特性，可見解決以上問題的核心關鍵在于品種改良，即選育高產、穩(wěn)產、優(yōu)質、高效的優(yōu)良品種。因此，研究作物育種發(fā)展方向，指導育種實踐，對于應對病蟲害侵擾、氣候變化、水資源下降、耕地資源減少及不斷增加的人口帶來的糧食短缺及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題具有重要意義。本文根據(jù)育種技術的發(fā)展階段將作物育種技術分為5 個時代育種體系。

1 第1 代育種技術（1G）：作物馴化技術

對作物進行馴化大約從1 萬年前開始，早期的農民并不懂得遺傳多樣性的理論，但是已經開始有意識或無意識地在利用其價值對植物進行偶然的選擇，他們會選擇在產量或其他性狀表現(xiàn)好的單株作為下一季栽培的種子，并不斷地繁殖下去。

在作物馴化階段，世界范圍內主要種植了約7000 種作物[2]，為現(xiàn)代栽培品種的培育奠定了遺傳資源基礎，但是這一時期主要通過耕作者對自然變異的肉眼觀察做出主觀判斷，作物改良的進展非常緩慢。

2 第2 代育種技術（2G）：雜交育種

雜交育種始于19世紀中后期，以1865年為起點，孟德爾在發(fā)現(xiàn)了植物遺傳定律后，數(shù)量遺傳學理論被建立起來，育種家和專業(yè)的科學家通過人工雜交的手段，有目的地在選配不同的親本進行雜交、自交、回交等，結合雙親的優(yōu)良性狀培育改良作物品種。

這一階段主要利用了經典遺傳理論、統(tǒng)計學和田間試驗設計等理論和手段，具有一定的預見性，但是偶然性大，育種效率低。

3 第3 代育種技術（3G）：傳統(tǒng)育種

這一時期的育種包括雜種優(yōu)勢育種及主動誘變育種。19 世紀末至20 世紀初，英國的一些種子公司開始對植物進行復合雜交，并從中選擇突破型品種[3]，以1926 年先鋒公司雜交玉米種為標志，玉米雜種優(yōu)勢和雙雜交種在商業(yè)化上應用突出的表現(xiàn)帶動了雜種優(yōu)勢在水稻、高粱、油菜、棉花等其他作物上的運用。1940 年，物理、化學或太空誘變等手段在作物育種上開始應用，主動的誘變育種可以創(chuàng)造全新的變異，還能促進遠緣雜交過程中染色體的變異，對于豐富遺傳性狀具有重要意義。

值得一提的是，按照Buckler 等專家的觀點，雜交育種、雜種優(yōu)勢育種及主動誘變育種這3 種相繼出現(xiàn)的育種技術可被統(tǒng)一歸納為傳統(tǒng)育種[2]，這些育種手段在過去近100 年的時間里極大地提高了作物產量，推動了農業(yè)發(fā)展，緩解了“人口爆炸”帶來的糧食緊缺問題，但是這一階段仍依賴于育種家的經驗來選擇好的表型育種材料，且由于傳統(tǒng)育種對于復雜性狀的選擇有限，因此難以兼顧產量、品質及生物脅迫和非生物脅迫的抗耐性。目前，世界大多數(shù)育種項目仍處在傳統(tǒng)育種（2G 和3G）階段，或處于從傳統(tǒng)育種（3G）到分子技術育種（4G）過渡的階段。

4 第4 代育種技術（4G）：分子技術育種

得益于現(xiàn)代分子生物學、基因工程的發(fā)展，自20 世紀80 年代開始，以轉基因（GMO，Genetic modified organism）、分子標記輔助選擇（MAS，Marker assisted selection）、全基因組選擇（GS，Genome selection）、等位基因挖掘等為代表的現(xiàn)代分子技術手段開始在作物育種上運用。

自1983 年第1 例轉基因植物開始，GMO 已經發(fā)展成最快、應用效率最高的精準育種技術之一[4]，GMO 是針對作物單個或多個性狀進行遺傳改良的分子技術，它打破了物種界限，將具有目標性狀的新基因直接插入到作物基因組中，通過選擇不同的啟動子，可以改變基因時空表達模式和強弱。目前已在作物的抗病、抗蟲、抗除草劑上得到應用并取得了商業(yè)化成功，在北美地區(qū)，90%以上的玉米、大豆、棉花、甜菜和油菜是GMO 品種。

MAS 是20 世紀80 年代興起的DNA 標記技術，以QTL 作圖和RFLP、SSR、SNP 等分子標記為基礎，經歷了標記開發(fā)、遺傳圖譜、功能和比較基因組連鎖分析及基因組測序等不同發(fā)展時期[3]。其基本原理是利用與目標基因緊密連鎖或表現(xiàn)共分離的分子標記對選擇個體進行目標以及全基因組篩選，從而減少連鎖累贅，獲得目標個體[5]。

GS 是MAS 的延伸，是近年來動、植物分子育種的全新策略，已成為分子技術育種的熱點和趨勢。GS 以連鎖不平衡理論為基礎，相比于MAS 依賴于QTL 定位的準確性及其附近標記，僅選用少量分子標記預測少量的QTL 效應，GS 采用覆蓋整個基因組的分子標記來捕獲整個基因組上的變異并對育種值進行有效預測[6]。

分子技術育種是對傳統(tǒng)育種理論和技術的重大突破，實現(xiàn)了對基因的直接選擇和有效聚合，大幅度縮短了育種年限，極大地提高了育種效率。目前，各國對QTL、MAS、GS 和基因定位等精準育種的理論和試驗研究很多，但在實際育種中應用十分有限，僅有拜耳-孟山都和科迪華等跨國種業(yè)巨頭的主要作物育種真正處在分子技術育種（4G）階段。

5 第五代育種技術（5G）：智能育種

智能育種（Smart breeding）技術體系，基本定義為利用農作物基因型、表型、環(huán)境、遺傳資源（例如水稻上的品種系譜信息）等大數(shù)據(jù)為核心基礎，通過人工生物智能技術，在實驗室設計培育出一種適合于特定地理區(qū)域和環(huán)境下的品系品種。而傳統(tǒng)上的大田僅僅作為品種測試和驗證的場所。從而節(jié)省了大量的人力、物力、財力、環(huán)境壓力等資源。智能育種是依托多層面生物技術和信息技術，跨學科、多交叉的一種育種方式。

智能育種以基因型大數(shù)據(jù)（Genome information）為核心之一?；蛐蛿?shù)據(jù)主要來自5 種基因技術利用數(shù)據(jù)，巧合的也是5G，但是這個G 是技術，而不是代數(shù)。主要包括：（1）種質資源鑒定（Germplasm characterization）。（2）基因編輯（Gene editing）?；蚓庉嬍菓孟冗M的基因組學和分子生物學工具對功能已知的重要基因序列進行定向敲出、單堿基替換、同源區(qū)段替換等操作，創(chuàng)造新的有益遺傳變異，從而實現(xiàn)作物的定向精準改良，在農作物抗病、抗逆性、園藝作物的花色、保存性等農業(yè)性狀的改良上發(fā)揮作用[7]?；蚓庉嫾夹g具體分為3 種典型的工具即鋅指核酸酶（ZFN，Zinc finger nucleases）、轉錄激活樣效應因子核酸酶（TALEN，Transcription activatorlike effector nucleases）、成簇規(guī)律間隔短回文重復序列（CRISPR，Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），其中CRISPR-Cas9（CRISPRassociated protein 9）因其操作的簡便性、通用性，已成為目前最廣泛應用的基因編輯技術[8]。（3）基因功能鑒定（Gene function identification）。（4）基因組組裝（Genome assembly）。（5）基因組育種方法（Genomic breeding methodologies）技術。這些基因型技術的相似點是通過二代測序、SNP 芯片等不同通量的基因型檢測手段，挖掘株型、產量、抗逆性等性狀相關的重要基因與自然變異。

智能育種的核心之二為表現(xiàn)型數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)。也就是說大多數(shù)是平?？梢钥吹玫降臇|西，例如水稻上的稻谷大小、米粒長短等。傳統(tǒng)上都是用眼、筆、紙人工測定，但是隨著20 世紀90 年代的自動化，高通量表現(xiàn)型數(shù)據(jù)的實施技術（Automatic high throughput phenotyping）的突飛猛進，表型數(shù)據(jù)搜集基本已經進入數(shù)字化階段。室外主要以衛(wèi)星、飛機、高密度攝像儀高空攝像機、地面小型機器人、紅外儀、紫外儀等；室內表型技術以德國LemnaTec?（全球最大的室內室外型植物表型系統(tǒng)）以及原杜邦-陶氏化學的 FAST-CORN?為代表。

智能育種的核心之三為環(huán)境大數(shù)據(jù)。主要包括：（1）地上部分的數(shù)據(jù)（AG-above ground），主要內容為溫度、相對濕度、降雨量、降雪量、日長、日照強度等。（2）地面上面的數(shù)據(jù)（OG-on the ground），病菌：生理小種、群體、分布等；昆蟲：生物型、群體、分布等；雜草：類型、群體、分布等。（3）地下部分的數(shù)據(jù)（UG-Under ground），土壤特性：類型、結構、肥力、水分等；土壤微生物：類型、群體、分布等。

近年來，人工智能技術，特別是圖形成像技術（Image technology）、數(shù)字化技術（Digital 圖形成像技術）等現(xiàn)代技術的快速發(fā)展將作物育種引向了新的階段。目前世界上如拜耳-孟山都和科迪華等跨國種業(yè)巨頭基本上能夠實現(xiàn)作物性狀調控基因的快速挖掘與表型的精準預測，從而建立智能組合優(yōu)良等位基因的自然變異、人工變異、數(shù)量性狀位點，具有多基因與多性狀聚合的育種設計方案，實現(xiàn)智能、高效、定向培育新品種[9-10]。

智能育種的基本技術路線是智能設計適合特定環(huán)境的、用于構建育種分離群體的雜交組合；在田間重復產量測試之前，應用基于基因型大數(shù)據(jù)、表型大數(shù)據(jù)、環(huán)境大數(shù)據(jù)已建立和驗證的基因型-表型-環(huán)境模型，對優(yōu)異品系和試驗性雜交種的適應性、產量、品質性狀進行大量計算機模擬，模擬在不同環(huán)境條件下的表現(xiàn)和穩(wěn)定性；對單個個體在同一世代進行大規(guī)模、多位點的精準基因組編輯，同時創(chuàng)造多個優(yōu)異等位基因；在全基因組水平上對已知的不同位點等位基因的最佳組合進行多基因與多性狀的聚合；培育出像聰明蛋（SmartStack?）玉米品種為代表的真正的高科技農作物品種。智能育種需要生物育種大數(shù)據(jù)中心和高度信息化應用方面的支撐。深度融合了生命科學、信息科學和育種科學的智能育種是科技發(fā)展帶來的新機遇，預計在未來10～20 年，智能育種發(fā)展的快慢勢必成為種業(yè)核心價值和競爭力的體現(xiàn)，而由傳統(tǒng)育種到分子育種，再到智能育種，育種的“科學”成分含量越來越多，而育種的“藝術”成分含量越來越少；實驗室基因型分析的個體、品系數(shù)目越來越多，而需要在田間測試的個體、品系數(shù)目越來越少。從而，育種的預見性、準確性、效率越來越高，實現(xiàn)的經濟、社會和環(huán)境效益也越來越高。

6 展望

由近現(xiàn)代的雜交育種、雜種優(yōu)勢育種到分子育種，到正在孕育發(fā)展中的智能育種（5G），育種技術越來越依賴于多項科技的融合發(fā)展。育種的遺傳增益也越來越高。目前我國大部分作物育種仍然處在傳統(tǒng)育種（2G 和3G）階段，僅少部分作物已經處于傳統(tǒng)育種（3G）向分子技術育種（4G）的轉變階段，而世界種業(yè)巨頭憑借著雄厚的資本、先進的技術基礎等優(yōu)勢，已加速朝智能育種（5G）階段邁進。我國面臨著種業(yè)技術全面革新、國際跨國種業(yè)壟斷、種業(yè)產業(yè)對外依存度高的威脅，這給我國作物育種帶來新的挑戰(zhàn)，迫使育種科技亟需革命性的改變。我國必須緊抓全球新一輪科技革命和產業(yè)革命迭代的機遇，整合和引導科技資源及人才向育種5G 技術靠攏，加快原始創(chuàng)新，搶占種業(yè)技術制高點，確保我國種業(yè)具有持續(xù)競爭力，保障我國糧食安全、食品安全和生態(tài)安全。