齊世杰　趙靜娟　鄭懷國

摘要：全球作物生物育種已進入至關重要的、以搶占技術制高點與經濟增長點為目標的戰(zhàn)略機遇期，基礎研究是科技創(chuàng)新的重要途經，明晰全球生物育種領域的研究前沿和發(fā)展方向，對我國作物生物育種發(fā)展來說具有迫切性和必要性?；贓SI數(shù)據(jù)平臺，經專家咨詢對全球生物育種領域研究前沿和核心論文進行遴選與解讀，借助DDA分析工具，采用計量分析和數(shù)據(jù)挖掘方法，從期刊、國家、機構及合作、研究方向等角度對核心論文進行全方位的深入剖析。Plant Biotechnology Journal是作物生物育種領域前沿的代表期刊;美國和中國是全球重點研究國家;我國代表性研究機構優(yōu)勢顯著，但影響力有待提升，可根據(jù)機構特色研究方向，有針對性地積極開展跨國合作;基因編輯技術、堿基編輯等生物育種技術及應用是重點關注的研究前沿。

關鍵詞：作物生物育種;研究前沿;高被引論文;文獻計量;DDA;基因編輯技術;基因組學;高通量表型平臺

中圖分類號：S336 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2021）19-0009-10

農作物種業(yè)是國家戰(zhàn)略性、基礎性核心產業(yè)，事關糧食安全、民族興衰。種業(yè)發(fā)展可以分為4個階段：第1階段：農家育種時代;第2階段：雜交育種時代;第3階段：分子育種時代;第4階段：“生物技術+人工智能+大數(shù)據(jù)信息技術”育種時代[1]。發(fā)達國家已經進入第2階段至第3階段之間。2021年，生物育種作為前瞻性、戰(zhàn)略性國家重大科技項目之一，被寫入國家“十四五”規(guī)劃綱要，是種子產業(yè)變革的重大舉措。育種基礎科學創(chuàng)新能力的提升從源頭上支撐了我國現(xiàn)代種業(yè)發(fā)展[2]。因此，把握全球作物生物育種研究熱點，追蹤作物生物育種技術前沿，對于管理決策者和研究者都具有十分重要的意義。

生物育種是利用遺傳學、細胞生物學、現(xiàn)代生物工程技術等方法原理培育生物新品種的過程，主要包括轉基因育種、分子輔助標記、分子設計育種、基因組學育種，以及基因編輯育種。近年來，隨著高通量測序平臺、計算機技術的發(fā)展，作物生物育種研究獲得了重大的突破。通過跟蹤全球的研究前沿與核心論文，從期刊、資助基金、學科領域、國家、機構進行多維度分析，有助于對作物生物育種的研究前沿進行全方位的了解，進而揭示領域熱門研究和技術前沿的主要貢獻者和潛在合作者。

研究前沿能提供一個獨特的視角來揭示作物生物育種的研究脈絡，可以簡明扼要地概括該領域的最新進展和前沿技術，為未來研究方向的把握拓展奠定基礎。

1材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源及范圍

基本科學指標（Essential Science Indicators，簡稱ESI）數(shù)據(jù)庫是科睿唯安在匯集和分析Web of Science核心合集（SCIE、SSCI）所收錄的學術文獻及其所引用的參考文獻的基礎上建立起來的分析型數(shù)據(jù)庫。研究前沿（Research Frontier）是基于該數(shù)據(jù)庫中近5年內的高被引論文的引證關系，采用共被引分析計算得出，這1組高被引論文稱為“核心論文”，每2個月更新1次[3]。這些論文及相關研究受到了同行高度認可和關注，代表著該領域最具影響力和發(fā)展前景的研究方向。研究前沿的遴選工作基于ESI數(shù)據(jù)庫中的研究前沿以及前沿所對應的核心論文，數(shù)據(jù)截至2020年6月。

1.2研究前沿遴選

利用ESI數(shù)據(jù)庫，經專家研討和文獻分析，為保證查全率，首先篩選出與“作物生物育種”相關的研究前沿137個，作為研究前沿遴選的基礎數(shù)據(jù);然后建立情報專家和農業(yè)領域專家團隊，對137個前沿進行2輪反復研討，剔除不相干前沿36個，以研究前沿對應的核心論文超過5篇為篩選目標，經過剔除和合并，最終確定了5個研究前沿，并獲得研究前沿與前沿對應的核心論文103篇。

2研究前沿計量分析

2.1核心論文概況

對作物生物育種領域ESI研究前沿核心論文103篇進行分析，主要分布在2014—2019年，發(fā)文量分別是21、12、20、24、11、15篇。學科方向主要涉及植物科學62篇，科學、技術等多學科科學20篇，生物化學與分子生物學16篇、生物技術應用微生物學16篇、遺傳學13篇。103篇核心文獻中，基金資助論文94篇，基金資助率達到92%，主要資助機構為中國國家自然科學基金（NSFC）、英國生物技術與生物科學研究委員會（BBSRC）、美國國家科學基金會（NSF）、中國科學院基金項目以及澳大利亞研究委員會。

2.2主要來源出版物

研究前沿論文的來源期刊共有41本，其中既包括《Nature Communications》《Science》等綜合性頂級期刊，也包括生物、農業(yè)、遺傳學等學科領域的專業(yè)期刊，如《Plant Science》（植物科學）、《Fungal Genetics and biology》（遺傳學）等。其中發(fā)表3篇及以上的期刊如表1所示，《Plant Biotechnology Journal》期刊刊載的論文數(shù)量最多，為15篇，反映了該刊在作物生物育種領域具有較強的專業(yè)性和前瞻性，刊載的論文對該領域的發(fā)展方向具有一定的引領作用，是作物生物育種領域研究前沿的重要來源期刊。其次是《Plant Physiology》《Plant Science》《Trends in Plant Science》3本專業(yè)性期刊，以及《Nature Communications》和《Science》2本綜合性期刊，載文量均為5篇，也是作物生物育種領域研究前沿的代表性期刊。

2.3重點代表國家

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，作物生物育種領域的熱點前沿論文共涉及39個國家/地區(qū)，利用數(shù)理統(tǒng)計和 TF-IDF 算法對排名前10的11個國家的發(fā)文量、篇均被引頻次和主要關鍵詞進行計算，從數(shù)量、影響力和研究內容3個方面，對該領域研究前沿的主要國家進行深入分析（圖1、表2）。

從文章數(shù)量來看，美國是本領域研究前沿核心論文的主要來源國家，共發(fā)表論文44篇，中國37篇排名第2。 以上2個國家位于第1梯隊， 遙遙領先

于其他國家，是作物生物育種領域研究前沿的突出代表國。德國、英國、法國和澳大利亞位于第2梯隊，發(fā)文量占10%以上，是該領域歐洲和大洋洲的主要代表國家。加拿大、以色列、意大利等5個國家位于第3梯隊，以亞洲、歐洲和北美國家為主。

從篇均被引頻次（圖1折線）和研究主題（表2）來看，加拿大排名第1，篇均被引頻次超出排名第2的意大利（333次）100余次，一定程度上反映出加拿大在生物育種領域的基礎研究具有較高質量和影響力，特別是在多倍體（小麥）基因組、基因組學育種方面。意大利、以色列和澳大利亞位于第2梯隊，篇均被引頻次在300～400次之間，競爭優(yōu)勢顯著，且具有“少而精”的發(fā)文特點，具有較大的發(fā)展?jié)摿秃献骺臻g，研究主題集中在利用QTL技術對番茄和水稻進行作物改良方面。法國、英國、美國、德國和中國位處第3梯隊，篇均被引頻次在200～300次之間，具有發(fā)文活躍、研究方向多元化、影響力一般的發(fā)文特點，整體發(fā)展較好，特別是中國、美國2個農業(yè)大國，已經率先在CRISPR/Cas9 技術、基因編輯等生物育種技術方面進行探索，也開展了復雜農藝性狀的相關研究，相對而言，影響力有待進一步提升。日本、墨西哥位處第5梯隊，處于追趕的狀態(tài)，在提升優(yōu)良小麥群體產量、植物表型鑒定方面表現(xiàn)突出

2.4重要研究機構及合作

作物生物育種領域的研究前沿共有280個研究機構主導或參與，利用DDA分析工具，采用TF-IDF算法對前10個機構的研究主題詞進行提取，并繪制出10個機構的合作情況（表3、圖2）。

全球作物生物育種領域研究前沿前10個機構中包括6所高等院校和4個科研院所，發(fā)展較為均衡。從發(fā)文數(shù)量（表3）來看，前10個研究機構具有明顯的階梯特征，中國農業(yè)科學院發(fā)表的前沿核心論文最多，研究集中在復雜農藝性狀、甘藍型油菜、作物馴化、全基因組關聯(lián)方面，產出能力較強，處于世界領先地位。美國農業(yè)部農業(yè)研究院排名第2，在遺傳多樣性、基因分型、多倍體小麥、單核苷酸多態(tài)性方面表現(xiàn)突出，以上2個機構位于第1梯隊，是該領域基礎研究的主要產出機構。中國科學院和華中農業(yè)大學位于第2梯隊，科研氛圍較為活躍，特別是在QTL、CRISPR/Cas9、基因編輯技術、基因組工程、異源四倍體等育種技術方面，研究對象包括小麥、水稻、番茄、棉花，是我國作物生物育種領域的代表性研究機構。其他機構位于第3梯隊，發(fā)文量相差不大，但研究方向各有不同，法國國家農業(yè)科學研究院側重在QTL和全基因組關聯(lián)分析[4]，以及作物生長模型和基因組預測[5]方面;加州大學戴維斯分校在多倍體小麥的基因分型、基因編輯技術在香蕉抗病性育種[6]、提升油茶品質[7]中的應用有所突破;約翰·英納斯研究中心在下一代測序技術、六倍體小麥的基因分型[8-9]陣列進行相關探究;國際玉米和小麥改良中心在利用遙感、無人機等智能育種技術方面有所進展[10-12];堪薩斯州立大學在基因組育種方法[13-14]上進行了探究。

結合篇均被引頻次分析，法國國家農業(yè)科學研究院（351次）排名第1，在本領域具有較強的影響力和行業(yè)關注度。加州大學戴維斯分校和堪薩斯州立大學，屬于“少而精”的研究機構，競爭優(yōu)勢顯著，能夠引起同領域科研人員的高度關注。其次是美國農業(yè)部農業(yè)研究院和華中農業(yè)大學，能夠兼顧論文的數(shù)量與質量，整體發(fā)展相對較好。中國農業(yè)科學院、中國科學院2個機構，相對于發(fā)文量而言，其篇均被引頻次表現(xiàn)一般，仍有一定的發(fā)展?jié)摿蜕仙臻g。但整體而言，排名前5位的研究機構中我國機構占據(jù)3個，證明我國研究機構的力量十分雄厚。約翰英納斯研究中心和國際玉米和小麥改良中心處于追趕階段。

作物生物育種領域研究前沿Top10機構的合作情況見圖2，圖2中節(jié)點代表研究機構，節(jié)點大小代表發(fā)文量的多少，連線的實虛代表合作的強弱。從圖2可以看出，重要機構間合作呈現(xiàn)出以中、美2國的國內合作為主，跨國合作逐步形成的特點，包括2個較為明顯的國內合作團體：（1）美國農業(yè)部農業(yè)研究局、堪薩斯州立大學和加州大學戴維斯分校之間較強的合作網(wǎng)絡;（2）以中國農業(yè)科學院為主導的，聯(lián)合中國科學院、華中農業(yè)大學之間的合作關系。此外，康奈爾大學的國際合作表現(xiàn)突出，在全球各國間起到重要的鏈接作用。約翰英納斯研究中心的合作關系較弱，偏向于機構內部團隊間的合作。

3研究前沿重點解析

對全球生物育種領域的五大前沿及前沿對應的核心論文信息進行整理。從表4可以看出， 全球

生物育種領域的五大前沿分別是：（1）基因組學分析在作物育種中的應用;（2）高效基因編輯技術及其在作物育種中的應用;（3）高通量表型平臺與植物育種;（4）雄性不育與作物雜種優(yōu)勢利用;（5）野生親緣關系在作物育種中的研究。其中前沿（1）“基因組學分析在作物育種中的應用”核心論文最多，是重點研究前沿。前沿（5）“野生親緣關系在作物育種中的研究”相對較新，核心論文平均出版年2017年，是新興研究前沿。

3.1基因組學分析在作物育種中的應用

基因組測序技術的快速發(fā)展使作物基因組研究取得了突破性進展。繼2002年第一個水稻基因組測序完成之后，世界各國已完成或接近完成64種作物的基因組測序。我國是世界上較早啟動作物基因組學研究的國家，已完成了世界上70%～80%重要作物的基因組測序。此外，還開發(fā)了基于高通量基因組測序的基因型鑒定方法，成功開展了水稻、玉米重要農藝性狀的基因組關聯(lián)分析和功能研究。

分子標記輔助育種（MAS）是作物改良的有效手段。研究前沿中首次挖掘出小麥抗赤霉病的TaHRC-R基因[15]和甘藍型油菜產油量的新的QTL位點[16]，為新品種的培育提供了靶位點和篩選手段。利用高通量SNP芯片技術、基因分型測序（GBS）以及重測序技術，結合表型組、代謝組、蛋白組等組學技術，全基因組關聯(lián)分析（GWAS）獲得了與性狀直接關聯(lián)的SNP標記，提供了分子輔助育種候選位點。小麥中，研究人員設計了35、90[17]、660 K[18]芯片，獲得了產量相關因素、耐旱性相關QTLs，提供了檢測基因滲入的SNP位點。番茄中，進行了番茄屬的屬間和種間多樣性研究，挖掘出控制番茄風味的化學物質以及QTLs，發(fā)現(xiàn)了番茄馴化和改良的過程為2組QTLs，以及大果馴化過程中丟失了的控制風味基因，全面揭示了育種是如何全面改變風味物質的。油菜中，研究人員梳理了甘藍型油菜進化歷史，通過60 K芯片的GWAS分析，獲得植株高度和分支數(shù)的8個QTLs，挖掘到控制產油量的50個QTLs[16]。玉米中，Wen等結合代謝組，定位到1 459個QTL_s[19]。

基因組學的發(fā)展催生了基因組選擇（GS）育種技術，它是一種新型的、針對數(shù)量性狀由微效多基因控制的育種難題的更高效的分子輔助育種方法。研究前沿集中在GS育種方法、GS實施中的準則、模型，以及預測的準確性方面。通過選擇訓練群體，可使水稻開花時間的預測準確率達到63%[20]。基因組選擇育種技術在作物育種中具有廣闊的應用前景。

3.2高效基因編輯技術及其在作物育種中的應用

基因編輯是對生物體基因組特定目標基因進行精確修飾的一種基因工程技術。目前的基因編輯技術包括：巨型核酸酶、鋅指核酸酶（ZFNs）、轉錄激活樣效應因子核酸酶（TALEN）和成簇規(guī)律間隔短回文重復（CRISPR/Cas）系統(tǒng)。其中CRISPR/Cas因其簡單、高效和多功能性迅速成為基因編輯的首選技術，廣泛應用于研究和生產中。植物CRISPR/Cas基因編輯的首次成功應用報道于2013年，隨后，更多植物的CRISPR/Cas基因編輯體系成功建立，為作物品質改良提供了全新途徑。

該前沿主要集中在對技術本身問題的探討以及在作物育種應用兩大方面。就技術本身而言，研究熱點主要集中在作物基因編輯的效率及遺傳穩(wěn)定性、轉化方式的優(yōu)化、基因編輯工具的完善以及CRISPR/Cas9基因編輯監(jiān)管問題;作物基因編輯育種則主要體現(xiàn)在增強作物抗病性、改善作物品質等方面。

3.2.1CRISPR/Cas9植物基因組編輯方法、編輯效率及遺傳方式朱建康等檢測了CRISPR/Cas在擬南芥的12個不同靶點針對7個基因的編輯情況，結果證明，CRISPR/Cas系統(tǒng)在編輯擬南芥基因方面是高效和特異的，編輯后的目的基因可以穩(wěn)定地遺傳。同時他們還測試了2個水稻亞種11個靶基因對CRISPR/Cas9誘導的編輯情況，證明CRISPR/Cas9系統(tǒng)在水稻中也是高效特異且穩(wěn)定遺傳的[21]。美國研究人員報道了水稻Cas9/sgRNA誘導的大染色體片段缺失，Cas9/sgRNAs在水稻原生質體中產生涉及3個不同基因簇的大染色體缺失（115～245 kb），并在再生的T0代植株中驗證了2個基因簇的缺失[22]。美國杜邦公司利用Cas9和Guide RNA在玉米和大豆基因組中成功實現(xiàn)定向突變、精確基因編輯和位點特異性基因的插入[23-24]。

3.2.2避免轉基因中間體產生的編輯技術方面CRISPR/Cas9編輯植物基因組通常涉及轉基因中間體，引發(fā)監(jiān)管方面的擔憂。相關報道介紹了2種簡單而有效的基因組編輯方法，一種是從以DNA或RNA形式引入的瞬時表達CRISPR/Cas9的愈傷組織細胞中再生植株[25];另一種是使用CRISPR/Cas9核糖核蛋白（RNPs）對小麥進行基因組編輯[26]。這2種方式獲得的突變體是完全無轉基因的，因此可廣泛應用于基因組編輯作物的生產，具有很好的商品化前景。此外，美國杜邦公司也采用預先組裝的Cas9-gRNA核糖核蛋白導入玉米胚細胞，并再生了具有突變和編輯等位基因的玉米植物[27]。

3.2.3堿基編輯技術方面基于CRISPR/Cas系統(tǒng)發(fā)展起來的新型靶基因修飾技術堿基編輯技術，為創(chuàng)造作物堿基突變提供了新的手段，在改變作物基因功能方面具有顯著優(yōu)勢。包括胞嘧啶堿基編輯器（cytosine base editor，簡稱CBE）和腺嘌呤堿基編輯器（adenine base editor，簡稱ABE）2種。有研究者利用堿基編輯系統(tǒng)成功在水稻、小麥及玉米中實現(xiàn)精準堿基編輯[28]。日本研究人員在番茄和水稻中利用CBE堿基編輯系統(tǒng)實現(xiàn)C-T （G-A）堿基替換。研究人員分別將人源胞嘧啶脫氨酶替換了大鼠胞嘧啶脫氨酶，大大提高了CBE堿基編輯效率[29]。后續(xù)的研究中，研究團隊發(fā)現(xiàn)CBE堿基編輯器在水稻產生大規(guī)模脫靶，還需要進一步優(yōu)化。2018年來自中國農業(yè)科學院的研究團隊，幾乎同時分別實現(xiàn)ABE堿基編輯器的成功應用。CBE堿基編輯器的編輯效率顯著高于ABE堿基編輯器。張倩倩等利用CBE堿基編輯器成功實驗西瓜ALS基因的堿基突變，獲得世界首例抗除草劑西瓜[30]。常規(guī)CRISPR/Cas9編輯技術使用化膿性鏈球菌Cas9（SpCas9），需要NGG作為鄰接基序（PAM），大大限制了堿基編輯器的使用范圍。中國科學院的研究團隊使用帶有SpCas9和金黃色葡萄球菌Cas9（SaCas9）變體的新ABES和CBE來繞過這一限制，從而大大增加了水稻基因組中堿基編輯的目標范圍。日本研究人員使用SpCas9（SpCas9-NGv1）變體，有效地誘變水稻和擬南芥基因組中的NG PAM的內源靶位點且拓展了CBE的堿基識別窗口[31]。

3.2.4基因編輯技術監(jiān)管、安全性評估方面基因編輯技術飛速發(fā)展，但與之對應的政策法規(guī)的設立存在一定的滯后性。盡管基因編輯技術不引入轉基因，并且基因編輯作物在多個國家已被認定為非轉基因產品，但對這些新技術的監(jiān)管、安全性評估標準、大眾接受度及相應的立法尚存在很大爭議，各個國家的評判標準也不統(tǒng)一。通過基因編輯進行植物育種的快速進展要求為新的生物技術建立新的全球政策，同時填補基于過程和基于產品的轉基因法規(guī)之間的空白。德國、日本和美國[32-33]等國家對上述問題開展了一些調研和探討，建議通過基因編輯或其他未來技術修改的植物應根據(jù)新的性狀和由此產生的最終產品進行評估，而不是根據(jù)創(chuàng)造新植物品種所使用的技術進行評估。

3.2.5作物基因編輯育種在增強作物抗病性、改善作物品質方面CRISPR/Cas基因編輯育種可以實現(xiàn)優(yōu)質育種資源從無到有的突破，Macovei等利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)在水稻東格魯病敏感品種IR64中產生eIF4G突變其中導致SVLFPNLAGKS殘基（主要是NL）與YVV殘基相鄰的框內突變的等位基因，使其獲得東格魯病抗性，為培育更多樣化的RTSV抗性品種提供了有價值的材料[34]。Ortigosa等鑒定了AtJAZ2的番茄同源基因，并通過CRISPR/Cas9介導的SlJAZ2編輯成功地在商品品種MoneyMaker中獲得了抗細菌性斑點病的番茄[35]。Tripathi等利用CRISPR/Cas9技術敲除香蕉B基因組中香蕉內源條紋病毒激活序列。在水分脅迫條件下，與未編輯的對照植物相比，75%的編輯植株保持無癥狀[6]。

在園藝作物單性結實的農藝性狀方面，Ueta等利用CRISPR/CAS9系統(tǒng)突變單性結實的關鍵基因SlIAA9，獲得單性結實番茄純合突變體[36]。利用CRISPR/Cas9敲除SlAGL6，獲得的番茄突變體能夠在嚴重阻礙受精坐果的熱脅迫條件下產生果實且無核果實質量和形狀正常，花粉生活力正常并保持有性繁殖能力[37]。

在大米和油茶作物中，Tang等利用CRISPR/CAS9系統(tǒng)敲除金屬轉運蛋白基因OsNramp5，培育出低Cd積累量、無轉基因的秈稻新品系[38]。利用CRISPR/Cas9在2個廣泛栽培的優(yōu)良粳稻品種的Waxy基因中引入功能缺失突變，實現(xiàn)了在不影響其他理想農藝性狀的情況下將水稻轉化為糯性水稻。Jiang等利用CRISPR/Cas9靶向新興油料植物山茶中FAD2基因，成功地獲得了油酸含量從脂肪酸組成的16%提高到50%以上的山茶種子[7]。Morineau等通過CRISPR/Cas9基因編輯，實現(xiàn)了3個δ-12-脫飽和酶（FAD2）基因的選擇性、針對性突變，導致多不飽和脂肪酸水平降低，油酸積累增加[39]。3個FAD2基因座的不同等位基因的組合提供了具有不同脂肪譜的茶樹品系的多樣性，油酸在油中的積累量從10%到62%不等。不同的等位基因組合可以對這個六倍體物種的基因劑量和功能進行公正的分析，也為植物育種提供了一個獨特的遺傳變異來源。

3.3高通量表型平臺與植物育種

高通量表型平臺的出現(xiàn)及發(fā)展可以對植物的表型組學數(shù)據(jù)進行充分挖掘與分析，最終構建與豐富基因組數(shù)據(jù)相匹配的植物表型測量技術體系。近5年來，高通量作物表型平臺獲得飛速發(fā)展，出現(xiàn)了衛(wèi)星、有人駕駛固定翼飛機、無人機、地面移動機器人、室外移動式龍門架、室內流水線及微型CT機等各類平臺。當前熱點集中在自動化機器人田間表型平臺、無人機表型平臺、表型信息獲取傳感及分析技術等方向。

田間高通量表型測量平臺（HTPP）中，Li等建立了具有專用傳感器陣列的全自動機器人田間表型測量平臺，所用傳感器包括高分辨率可見光成像儀、葉綠素熒光和熱紅外成像儀、高光譜成像儀和3D激光掃描儀[40]。另有1種懸掛式表型測量平臺主要對溫室內植物進行監(jiān)測，該平臺在距離地面 2～5 m范圍內運行，并可在惡劣天氣條件下完成高分辨率成像[41]。低成本的無人機系統(tǒng)（UAS）在近距離快速測量作物表型方面具有巨大潛力?；跓o人機的平臺可在30～100 m的高度獲得高分辨率熱成像和多光譜成像，既能為少量小區(qū)提供高分辨率的測量，也可對成千上萬的小區(qū)進行快速評估。

利用高通量表型平臺對作物生育期內的冠層發(fā)育進行測量研究，發(fā)現(xiàn)冠層高度的廣義遺傳力最高[42]。Zhang等開發(fā)了一套評估溫室入射光空間分布的方法對數(shù)百株玉米進行監(jiān)測，利用平臺測量了玉米重組自交系群體（n=167）在16個發(fā)育時期的106個機器識別性狀[43]。結合高密度遺傳連鎖圖譜（包括2 496個重組區(qū)）共鑒定到包括已知的3個QTL熱點區(qū)間在內的988個QTL。此外，研究發(fā)現(xiàn)UAS平臺獲得的植被指數(shù)VI與地面實際測量值之間具有較好的相關性，并發(fā)現(xiàn)VI具有很高的廣義遺傳性[10]。該高空作業(yè)平臺能夠有效評估低氮脅迫下的農作物表現(xiàn)，光譜成像和地面測量的歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)均表明農作物衰老指數(shù)和谷物產量之間具有很強的相關性。

在作物表型預測中，為了評估高通量表型數(shù)據(jù)的效用，科研人員等提出了候選G2P模型用于整合大量基因組和新表型數(shù)據(jù)，并基于基因與環(huán)境進行建模[44]。

3.4雄性不育與作物雜種優(yōu)勢利用

植物雄性不育通常是指雄性器官不能產生正常功能的雄配子（花粉）的現(xiàn)象，在雜種優(yōu)勢利用及雜交種生產等方面具有重要價值。根據(jù)遺傳機制不同，可將雄性不育分為受核基因控制的核不育類型（GMS）和受細胞質基因與核基因共同控制的質核互作不育類型（CMS）。

目前，在雄性不育與作物雜交育種研究主要集中在雄性不育的遺傳資源、分子機制及其在雜種優(yōu)勢中的應用等領域。其中，在雄性不育的分子機制研究領域已發(fā)現(xiàn)導致小孢子減數(shù)分裂異常、絨氈層發(fā)育異常、花粉壁發(fā)育異常等與細胞核不育相關的功能基因，及在細胞葉綠體和線粒體中發(fā)現(xiàn)導致細胞質不育的相關功能基因。

本研究前沿主要集中在3個方面：作物雜交育種中雄性不育的分子調控機制研究、雄性不育基因在雜交育種中的應用及作物雄性不育與育性恢復。其中“Male sterility and fertility restoration in crops”是本前沿論文中被引頻次（210次）最高的論文。文章綜述了近年來作物細胞質雄性不育系和細胞核雄性不育系的研究進展，總結了雄性不育和育性恢復的幾種模型及進化意義，具有重要價值[45]。

7篇核心論文中我國主導或參與貢獻了6篇，表明我國在這一熱點研究方面處于世界領先水平，特別是我國雜交稻生產技術：基于核質互作雄性不育“三系法”和光溫敏核不育“兩系法”。我國植物遺傳學家在闡明雜交水稻育性調控的分子遺傳基礎領域作出了重要貢獻。在三系雜交稻育種應用最廣泛的CMS系統(tǒng)是水稻野敗型細胞質雄性不育系統(tǒng)，其不育基因為線粒體不育基因WA352，WA352通過結合核編碼蛋白Cox11抑制其降解ROS，引起花粉絨氈層提前程序性死亡，是導致花粉敗育的分子機制。將核不育恢復基因與來自于玉米的α-淀粉酶基因、1種來自于珊瑚的紅色熒光蛋白基因串聯(lián)，可用于批量生產獲得非轉基因的雄性不育系[45]。

我國科學家在玉米核不育恢復基因ZmMs7[46]、ZmMs30[47]等的克隆和功能研究也取得了重大突破，為玉米雄花發(fā)育的分子機制研究提供了重要線索;同時，提出了作物多控不育技術系統(tǒng)的概念，利用該技術體系生產的玉米不育系和雜交種都不含任何轉基因成分，可規(guī)避轉基因對人類食品安全的困擾。通過對多種植物核不育基因的比較基因組學和生物信息學分析，預測到62個玉米核不育候選新基因，據(jù)此構建了玉米花藥/花粉發(fā)育的遺傳與生化調控網(wǎng)絡，為玉米和其他作物不育基因的理論研究和育種應用提供了重要參考和技術指導。

3.5野生親緣關系在作物育種中的研究

相對于馴化作物來說，野生親緣關系（crop wild relatives，簡稱CWR）作物在進化過程中具備很強的生物或非生物抗性，從而擁有更高的遺傳多樣性。利用野生近緣種提高作物的抗病性、產量等性狀是熱點研究。該熱點前沿集中在CWR保護、基因組水平上對作物野生種遺傳多樣性的認知以及CWR在作物育種的應用現(xiàn)狀與展望3個方向。

在CWR保護方面，世界上部分國家已發(fā)出倡議并設立了資助項目，用于保護世界范圍內的CWR，作物種類包括蘋果、花生、香蕉、大麥、胡蘿卜、鷹嘴豆、豇豆、茄子、蠶豆、小米、豌豆、扁豆、燕麥、珍珠小米、木豆、馬鈴薯、大米、黑麥、高粱、向日葵、甘薯、野豌豆和小麥等。工作內容則包括：確定那些現(xiàn)有基因庫中缺失的、最有可能包含適應農業(yè)適應氣候變化的價值多樣性以及最瀕危的CWR;從野生環(huán)境中收集新的和受威脅的CWR多樣性，并將其提供給基因庫進行保護;與全世界研究人員和其他用戶共享這些物種;評估新收集的CWR和其他已收集的CWR的有用特性，并準備用于作物改良;廣泛提供信息，以便研究人員、收集者、育種者和植物遺傳資源的其他用戶能夠訪問信息和信息系統(tǒng)，以改進CWR的保護和使用。其次是利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)結合科學方法提出CWR保護的量化指標，既可清晰了解全球CWR保護的現(xiàn)狀，也可確定那些需要優(yōu)先保護的野生種類型。有研究利用已有信息模擬了與81種作物相關的 1 076 個分類群的全球分布，并將這些分布所包含的潛在地理和生態(tài)多樣性與目前可在基因庫中獲得的多樣性信息進行比較，以此來評估遺傳多樣性保護的全面性[48]。研究結果表明，CWR的多樣性在基因庫中代表性很差。有63種作物相關的313個類群（占總數(shù)的291%）沒有種質資源，另外257個（23.9%）只有不到10個。超過70%的分類群被認為需要進一步收集，以提高它們在基因庫中的代表性，而超過95%的分類群在其自然分布中的地理和生態(tài)變異方面的代表性不足。研究提出一個差距分析指標方法，用來評估遷徙地和原生地野生植物遺傳多樣性保護工作[49]，不僅能夠確定物種的優(yōu)先次序，還可以量化區(qū)域范圍內植物保護的進展情況。對近7 000 個分類群評估，發(fā)現(xiàn)每100個分類群中僅有不到3個被評估為充分保護，并提出建議。

在基因組水平上對CWR基因庫多樣性的認知研究中，基因組測序數(shù)據(jù)表明，CWR的確是具有實用價值的植物育種基因庫，野生種能夠擴大作物的遺傳多樣性。此外，DNA測序技術的進步使得育種家認識到需要結合重測序來有效地探索CWR中有益的遺傳變異。對CWR核基因組、轉錄組和母體（葉綠體和線粒體）基因組的分析有助于它們在作物改良中的應用[50]。以高優(yōu)先級CWR為靶點進行測序將使CWR基因組測序的貢獻最大化。

CWR在作物改良應用研究中，從作物類型來看，野生種利用研究最多的作物依次為向日葵、小麥、馬鈴薯、花生、蘋果、水稻、燕麥、木豆、梨和番茄;而從改良性狀類型來看，多為生物抗性、非生物抗性、農藝性狀、育性、數(shù)量性狀、表型性狀;從應用年代來看，自1980年以來，野生種利用受到關注，在2000年以后發(fā)生了跳躍性的提升直到最近依然保持這種狀態(tài)，通過一些實例來表達野生種遺傳多樣性對作物遺傳改良的重要推動。在非生物脅迫抗性方面，通過雜交育種將野生種單粒小麥（Triticum monococcum）中的TmHKT1：5-A基因轉入硬粒小麥中去從而使其在鹽環(huán)境下的產量增加25%。在生物脅迫抗性方面，將玉米野生種墨西哥玉米（Tripsacum dactyloides L.）的抗枯萎病等位基因轉移后，至少使美國1978年的玉米損失減少50%。在作物產量性狀上，將野生番茄（Solanum hirsutum）與小果泛起雜交后形成的番茄品種產量和可溶物含量增加20%。如何將目標性狀或基因從野生種滲透至作物基因組中，涉及到諸多技術，比如胚搶救技術、體細胞融合雜交技術、多倍體化技術等。即使這樣，也仍有部分野生種的基因未能成功轉移進入作物，需要持續(xù)研究。進一步研究發(fā)現(xiàn)，當野生種基因滲入到作物基因組中以后，需要利用分子標記輔助選擇技術、QTL定位技術、全基因組關聯(lián)分析技術、單核苷酸變異芯片技術、基因組測序技術、功能基因組學、代謝組學以及轉基因技術和最新的基因編輯技術等來進一步獲得并利用野生種的基因及其控制性狀。盡管如此，仍有一些因素阻礙了CWR的利用進程，包括野生種表型和基因型數(shù)據(jù)的缺乏、雜交親和性障礙、野生種基本信息的缺失、連鎖累贅、野生種的劣勢認知缺乏、對復雜性狀的遺傳基礎缺乏了解、對遷徙地野生種管理和維護的不善、缺乏機構支持和資金限制等問題，仍需要進一步解決。

4結論與討論

作物育種的前沿始終圍繞生物育種技術與應用，也是全球重點農業(yè)組織與國家基金的重點資助方向?！禤lant Biotechnology Journal》是領域前沿的重要期刊，美國和中國仍是該研究領域的突出貢獻者和領軍者，處于全球領先地位。總體而言，全球研究機構和大學發(fā)展較為均衡，合作以中、美兩國的國內合作為主，康奈爾大學是國際合作的典范。重要研究機構中，我國的中國科學院、中國農業(yè)科學院和華中農業(yè)大學是突出代表機構，在全球機構中具有顯著的競爭優(yōu)勢，但影響力有待進一步提升，未來應在兼顧產出的基礎上，更加重視論文的質量，提升國際影響力。在合作方面，應由重點機構帶頭，基于全球重要機構的不同研究方向，有針對性地開展國際學術交流，積極開展跨國合作模式，增進我國的優(yōu)勢技術，補足我國作物育種中的短板。

生物育種技術的發(fā)展引領了作物生物育種領域的前進方向，隨著計算機信息技術的發(fā)展，高通量表型平臺也有了較大的突破，能夠在技術應用過程中發(fā)揮重要作用。面對糧食供給現(xiàn)狀，雄性不育與作物雜種優(yōu)勢這一傳統(tǒng)方向是關系到世界糧食供給和農業(yè)產業(yè)發(fā)展的重要內容，是基礎性和必要性的研究方向，野生親緣關系及在作物育種中的研究是較新的研究方向。我國正值“十四五”的開局之年，須在掌握國際發(fā)展動態(tài)和前沿技術的基礎上，基于我國作物育種產業(yè)發(fā)展的國情，結合大力發(fā)展生物種業(yè)的相關政策，順勢而為，利用我國育種優(yōu)勢，加強育種技術的創(chuàng)新，突破生物育種的“卡脖子”技術，盡早跨越種業(yè)第2階段至第3階段的過渡時期，向種業(yè)第4階段邁進。

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