第5 代（5G）作物育種技術(shù)體系

應(yīng)繼鋒 劉定富 趙 健

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

根據(jù)預(yù)測(cè)，到2050 年，全球平均氣溫將從2016年的14.7℃上升至16.0℃，因病蟲(chóng)害帶來(lái)的作物產(chǎn)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(zhǎng)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(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)都面臨著巨大壓力。品種改良和栽培、生產(chǎn)技術(shù)的提升是保障農(nóng)業(yè)和糧食安全的有效途徑，作物產(chǎn)量的提高有50%來(lái)自品種的改良。但栽培、生產(chǎn)技術(shù)對(duì)作物產(chǎn)量的提升作用仍受限于作物的品種特性，可見(jiàn)解決以上問(wèn)題的核心關(guān)鍵在于品種改良，即選育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的優(yōu)良品種。因此，研究作物育種發(fā)展方向，指導(dǎo)育種實(shí)踐，對(duì)于應(yīng)對(duì)病蟲(chóng)害侵?jǐn)_、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(lái)的糧食短缺及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題具有重要意義。本文根據(jù)育種技術(shù)的發(fā)展階段將作物育種技術(shù)分為5 個(gè)時(shí)代育種體系。

1 第1 代育種技術(shù)（1G）：作物馴化技術(shù)

對(duì)作物進(jìn)行馴化大約從1 萬(wàn)年前開(kāi)始，早期的農(nóng)民并不懂得遺傳多樣性的理論，但是已經(jīng)開(kāi)始有意識(shí)或無(wú)意識(shí)地在利用其價(jià)值對(duì)植物進(jìn)行偶然的選擇，他們會(huì)選擇在產(chǎn)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(nèi)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(chǔ)，但是這一時(shí)期主要通過(guò)耕作者對(duì)自然變異的肉眼觀察做出主觀判斷，作物改良的進(jìn)展非常緩慢。

2 第2 代育種技術(shù)（2G）：雜交育種

雜交育種始于19世紀(jì)中后期，以1865年為起點(diǎn)，孟德?tīng)栐诎l(fā)現(xiàn)了植物遺傳定律后，數(shù)量遺傳學(xué)理論被建立起來(lái)，育種家和專業(yè)的科學(xué)家通過(guò)人工雜交的手段，有目的地在選配不同的親本進(jìn)行雜交、自交、回交等，結(jié)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(jīng)典遺傳理論、統(tǒng)計(jì)學(xué)和田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)等理論和手段，具有一定的預(yù)見(jiàn)性，但是偶然性大，育種效率低。

3 第3 代育種技術(shù)（3G）：傳統(tǒng)育種

這一時(shí)期的育種包括雜種優(yōu)勢(shì)育種及主動(dòng)誘變育種。19 世紀(jì)末至20 世紀(jì)初，英國(guó)的一些種子公司開(kāi)始對(duì)植物進(jìn)行復(fù)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(biāo)志，玉米雜種優(yōu)勢(shì)和雙雜交種在商業(yè)化上應(yīng)用突出的表現(xiàn)帶動(dòng)了雜種優(yōu)勢(shì)在水稻、高粱、油菜、棉花等其他作物上的運(yùn)用。1940 年，物理、化學(xué)或太空誘變等手段在作物育種上開(kāi)始應(yīng)用，主動(dòng)的誘變育種可以創(chuàng)造全新的變異，還能促進(jìn)遠(yuǎn)緣雜交過(guò)程中染色體的變異，對(duì)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(diǎn)，雜交育種、雜種優(yōu)勢(shì)育種及主動(dòng)誘變育種這3 種相繼出現(xiàn)的育種技術(shù)可被統(tǒng)一歸納為傳統(tǒng)育種[2]，這些育種手段在過(guò)去近100 年的時(shí)間里極大地提高了作物產(chǎn)量，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)發(fā)展，緩解了“人口爆炸”帶來(lái)的糧食緊缺問(wèn)題，但是這一階段仍依賴于育種家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇好的表型育種材料，且由于傳統(tǒng)育種對(duì)于復(fù)雜性狀的選擇有限，因此難以兼顧產(chǎn)量、品質(zhì)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(xiàng)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(shù)育種（4G）過(guò)渡的階段。

4 第4 代育種技術(shù)（4G）：分子技術(shù)育種

得益于現(xiàn)代分子生物學(xué)、基因工程的發(fā)展，自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始，以轉(zhuǎn)基因（GMO，Genetic modified organism）、分子標(biāo)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(shù)手段開(kāi)始在作物育種上運(yùn)用。

自1983 年第1 例轉(zhuǎn)基因植物開(kāi)始，GMO 已經(jīng)發(fā)展成最快、應(yīng)用效率最高的精準(zhǔn)育種技術(shù)之一[4]，GMO 是針對(duì)作物單個(gè)或多個(gè)性狀進(jìn)行遺傳改良的分子技術(shù)，它打破了物種界限，將具有目標(biāo)性狀的新基因直接插入到作物基因組中，通過(guò)選擇不同的啟動(dòng)子，可以改變基因時(shí)空表達(dá)模式和強(qiáng)弱。目前已在作物的抗病、抗蟲(chóng)、抗除草劑上得到應(yīng)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(jì)80 年代興起的DNA 標(biāo)記技術(shù)，以QTL 作圖和RFLP、SSR、SNP 等分子標(biāo)記為基礎(chǔ)，經(jīng)歷了標(biāo)記開(kāi)發(fā)、遺傳圖譜、功能和比較基因組連鎖分析及基因組測(cè)序等不同發(fā)展時(shí)期[3]。其基本原理是利用與目標(biāo)基因緊密連鎖或表現(xiàn)共分離的分子標(biāo)記對(duì)選擇個(gè)體進(jìn)行目標(biāo)以及全基因組篩選，從而減少連鎖累贅，獲得目標(biāo)個(gè)體[5]。

GS 是MAS 的延伸，是近年來(lái)動(dòng)、植物分子育種的全新策略，已成為分子技術(shù)育種的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。GS 以連鎖不平衡理論為基礎(chǔ)，相比于MAS 依賴于QTL 定位的準(zhǔn)確性及其附近標(biāo)記，僅選用少量分子標(biāo)記預(yù)測(cè)少量的QTL 效應(yīng)，GS 采用覆蓋整個(gè)基因組的分子標(biāo)記來(lái)捕獲整個(gè)基因組上的變異并對(duì)育種值進(jìn)行有效預(yù)測(cè)[6]。

分子技術(shù)育種是對(duì)傳統(tǒng)育種理論和技術(shù)的重大突破，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guó)對(duì)QTL、MAS、GS 和基因定位等精準(zhǔn)育種的理論和試驗(yàn)研究很多，但在實(shí)際育種中應(yīng)用十分有限，僅有拜耳-孟山都和科迪華等跨國(guó)種業(yè)巨頭的主要作物育種真正處在分子技術(shù)育種（4G）階段。

5 第五代育種技術(shù)（5G）：智能育種

智能育種（Smart breeding）技術(shù)體系，基本定義為利用農(nóng)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(chǔ)，通過(guò)人工生物智能技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)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(cè)試和驗(yàn)證的場(chǎng)所。從而節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力、環(huán)境壓力等資源。智能育種是依托多層面生物技術(shù)和信息技術(shù)，跨學(xué)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。基因型數(shù)據(jù)主要來(lái)自5 種基因技術(shù)利用數(shù)據(jù)，巧合的也是5G，但是這個(gè)G 是技術(shù)，而不是代數(shù)。主要包括：（1）種質(zhì)資源鑒定（Germplasm characterization）。（2）基因編輯（Gene editing）?；蚓庉嬍菓?yīng)用先進(jìn)的基因組學(xué)和分子生物學(xué)工具對(duì)功能已知的重要基因序列進(jìn)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(shí)現(xiàn)作物的定向精準(zhǔn)改良，在農(nóng)作物抗病、抗逆性、園藝作物的花色、保存性等農(nóng)業(yè)性狀的改良上發(fā)揮作用[7]?；蚓庉嫾夹g(shù)具體分為3 種典型的工具即鋅指核酸酶（ZFN，Zinc finger nucleases）、轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶（TALEN，Transcription activatorlike effector nucleases）、成簇規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列（CRISPR，Clustered regularly interspaced short palindromic repeats），其中CRISPR-Cas9（CRISPRassociated protein 9）因其操作的簡(jiǎn)便性、通用性，已成為目前最廣泛應(yīng)用的基因編輯技術(shù)[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(shù)。這些基因型技術(shù)的相似點(diǎn)是通過(guò)二代測(cè)序、SNP 芯片等不同通量的基因型檢測(cè)手段，挖掘株型、產(chǎn)量、抗逆性等性狀相關(guān)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(shuō)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(zhǎng)短等。傳統(tǒng)上都是用眼、筆、紙人工測(cè)定，但是隨著20 世紀(jì)90 年代的自動(dòng)化，高通量表現(xiàn)型數(shù)據(jù)的實(shí)施技術(shù)（Automatic high throughput phenotyping）的突飛猛進(jìn)，表型數(shù)據(jù)搜集基本已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化階段。室外主要以衛(wèi)星、飛機(jī)、高密度攝像儀高空攝像機(jī)、地面小型機(jī)器人、紅外儀、紫外儀等；室內(nèi)表型技術(shù)以德國(guó)LemnaTec?（全球最大的室內(nèi)室外型植物表型系統(tǒng)）以及原杜邦-陶氏化學(xué)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(nèi)容為溫度、相對(duì)濕度、降雨量、降雪量、日長(zhǎng)、日照強(qiáng)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(chóng)：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(jié)構(gòu)、肥力、水分等；土壤微生物：類型、群體、分布等。

近年來(lái)，人工智能技術(shù)，特別是圖形成像技術(shù)（Image technology）、數(shù)字化技術(shù)（Digital 圖形成像技術(shù)）等現(xiàn)代技術(shù)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(guó)種業(yè)巨頭基本上能夠?qū)崿F(xiàn)作物性狀調(diào)控基因的快速挖掘與表型的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，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(diǎn)，具有多基因與多性狀聚合的育種設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)智能、高效、定向培育新品種[9-10]。

智能育種的基本技術(shù)路線是智能設(shè)計(jì)適合特定環(huán)境的、用于構(gòu)建育種分離群體的雜交組合；在田間重復(fù)產(chǎn)量測(cè)試之前，應(yīng)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(yàn)證的基因型-表型-環(huán)境模型，對(duì)優(yōu)異品系和試驗(yàn)性雜交種的適應(yīng)性、產(chǎn)量、品質(zhì)性狀進(jìn)行大量計(jì)算機(jī)模擬，模擬在不同環(huán)境條件下的表現(xiàn)和穩(wěn)定性；對(duì)單個(gè)個(gè)體在同一世代進(jìn)行大規(guī)模、多位點(diǎn)的精準(zhǔn)基因組編輯，同時(shí)創(chuàng)造多個(gè)優(yōu)異等位基因；在全基因組水平上對(duì)已知的不同位點(diǎn)等位基因的最佳組合進(jìn)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(nóng)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(yīng)用方面的支撐。深度融合了生命科學(xué)、信息科學(xué)和育種科學(xué)的智能育種是科技發(fā)展帶來(lái)的新機(jī)遇，預(yù)計(jì)在未來(lái)10～20 年，智能育種發(fā)展的快慢勢(shì)必成為種業(yè)核心價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)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(xué)”成分含量越來(lái)越多，而育種的“藝術(shù)”成分含量越來(lái)越少；實(shí)驗(yàn)室基因型分析的個(gè)體、品系數(shù)目越來(lái)越多，而需要在田間測(cè)試的個(gè)體、品系數(shù)目越來(lái)越少。從而，育種的預(yù)見(jiàn)性、準(zhǔn)確性、效率越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益也越來(lái)越高。

6 展望

由近現(xiàn)代的雜交育種、雜種優(yōu)勢(shì)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(shù)越來(lái)越依賴于多項(xiàng)科技的融合發(fā)展。育種的遺傳增益也越來(lái)越高。目前我國(guó)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(jīng)處于傳統(tǒng)育種（3G）向分子技術(shù)育種（4G）的轉(zhuǎn)變階段，而世界種業(yè)巨頭憑借著雄厚的資本、先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)等優(yōu)勢(shì)，已加速朝智能育種（5G）階段邁進(jìn)。我國(guó)面臨著種業(yè)技術(shù)全面革新、國(guó)際跨國(guó)種業(yè)壟斷、種業(yè)產(chǎn)業(yè)對(duì)外依存度高的威脅，這給我國(guó)作物育種帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，迫使育種科技亟需革命性的改變。我國(guó)必須緊抓全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命迭代的機(jī)遇，整合和引導(dǎo)科技資源及人才向育種5G 技術(shù)靠攏，加快原始創(chuàng)新，搶占種業(yè)技術(shù)制高點(diǎn)，確保我國(guó)種業(yè)具有持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力，保障我國(guó)糧食安全、食品安全和生態(tài)安全。