第5代(5G)作物育种技术体系

　　摘要：全球人口激增、气候持续变化、土地资源退化、生态环境污染等诸多问题给世界农业带来了巨大压力。作物育种技 术的进步为粮食产量的增加作出了重要贡献，是解决世界农业困局和保障世界粮食安全的核心关键。但是近 30 年来的水稻 单产增长缓慢，对农作物育种技术的改进和提高提出了新的要求。因此，需要研究和开发更加有效的育种技术体系。根据国 内外的有关文献和作者的海外经历，简要回顾作物育种技术的现状及趋势，重点介绍第 5 代(5th Generation=5G)作物育种即智 能育种技术系统。

　　关键词：分子技术育种;智能育种;第五代(5G)作物育种技术

　　根据预测，到 2050 年，全球平均气温将从 2016 年的 14.7℃上升至 16.0℃，因病虫害带来的作物产量 损失将从 2016 年的 10%~15% 增加至 20%~25%，而 人口将从目前的 75.79 亿增长至 88 亿，土地人均占 有量将从 2016 年的 0.2hm2 下降至 0.15hm2[1]，这意味 着全球农业和粮食生产都面临着巨大压力。品种改 良和栽培、生产技术的提升是保障农业和粮食安全的 有效途径，作物产量的提高有 50% 来自品种的改良。

　　但栽培、生产技术对作物产量的提升作用仍受限于作 物的品种特性，可见解决以上问题的核心关键在于 品种改良，即选育高产、稳产、优质、高效的优良品种。 因此，研究作物育种发展方向，指导育种实践，对于应 对病虫害侵扰、气候变化、水资源下降、耕地资源减少 及不断增加的人口带来的粮食短缺及农业可持续发 展问题具有重要意义。本文根据育种技术的发展阶 段将作物育种技术分为 5 个时代育种体系。

　　1　第 1 代育种技术(1G)：作物驯化技术

　　对作物进行驯化大约从 1 万年前开始，早期的 农民并不懂得遗传多样性的理论，但是已经开始有 意识或无意识地在利用其价值对植物进行偶然的选 择，他们会选择在产量或其他性状表现好的单株作 为下一季栽培的种子，并不断地繁殖下去。 在作物驯化阶段，世界范围内主要种植了约 7000 种作物 [2]，为现代栽培品种的培育奠定了遗传 资源基础，但是这一时期主要通过耕作者对自然变 异的肉眼观察做出主观判断，作物改良的进展非常 缓慢。

　　2　第 2 代育种技术(2G)：杂交育种

　　杂交育种始于19世纪中后期，以1865年为起点， 孟德尔在发现了植物遗传定律后，数量遗传学理论被 建立起来，育种家和专业的科学家通过人工杂交的手 段，有目的地在选配不同的亲本进行杂交、自交、回交 等，结合双亲的优良性状培育改良作物品种。 这一阶段主要利用了经典遗传理论、统计学和 田间试验设计等理论和手段，具有一定的预见性，但 是偶然性大，育种效率低。

　　3　第 3 代育种技术(3G)：传统育种

　　这一时期的育种包括杂种优势育种及主动诱 变育种。19 世纪末至 20 世纪初，英国的一些种子 公司开始对植物进行复合杂交，并从中选择突破型 品种 [3]，以 1926 年先锋公司杂交玉米种为标志，玉 米杂种优势和双杂交种在商业化上应用突出的表现 带动了杂种优势在水稻、高粱、油菜、棉花等其他作 物上的运用。

　　1940 年，物理、化学或太空诱变等手 段在作物育种上开始应用，主动的诱变育种可以创 造全新的变异，还能促进远缘杂交过程中染色体的 变异，对于丰富遗传性状具有重要意义。 值得一提的是，按照 Buckler 等专家的观点，杂交育种、杂种优势育种及主动诱变育种这 3 种相继 出现的育种技术可被统一归纳为传统育种 [2]，这些育种手段在过去近 100 年的时间里极大地提高了作物 产量，推动了农业发展，缓解了“人口爆炸”带来的粮 食紧缺问题，但是这一阶段仍依赖于育种家的经验 来选择好的表型育种材料，且由于传统育种对于复杂性状的选择有限，因此难以兼顾产量、品质及生物 胁迫和非生物胁迫的抗耐性。目前，世界大多数育 种项目仍处在传统育种(2G 和 3G)阶段，或处于从 传统育种(3G)到分子技术育种(4G)过渡的阶段。

　　4　第 4 代育种技术(4G)：分子技术育种

　　得 益 于 现 代 分 子 生 物 学、基 因 工 程 的 发 展， 自 20 世 纪 80 年 代 开 始，以 转 基 因(GMO，Genetic modified organism)、分 子 标 记 辅 助 选 择(MAS， Marker assisted selection)、全 基 因 组 选 择(GS， Genome selection)、等位基因挖掘等为代表的现代分 子技术手段开始在作物育种上运用。

　　自 1983 年第 1 例转基因植物开始，GMO 已经 发展成最快、应用效率最高的精准育种技术之一 [4]， GMO 是针对作物单个或多个性状进行遗传改良的 分子技术，它打破了物种界限，将具有目标性状的新 基因直接插入到作物基因组中，通过选择不同的启 动子，可以改变基因时空表达模式和强弱。目前已 在作物的抗病、抗虫、抗除草剂上得到应用并取得了 商业化成功，在北美地区，90% 以上的玉米、大豆、 棉花、甜菜和油菜是 GMO 品种。

　　MAS 是 20 世纪 80 年代兴起的 DNA 标记技术， 以 QTL 作图和 RFLP、SSR、SNP 等分子标记为基础， 经历了标记开发、遗传图谱、功能和比较基因组连锁 分析及基因组测序等不同发展时期 [3]。其基本原理 是利用与目标基因紧密连锁或表现共分离的分子标 记对选择个体进行目标以及全基因组筛选，从而减 少连锁累赘，获得目标个体 [5]。 GS 是 MAS 的延伸，是近年来动、植物分子育种 的全新策略，已成为分子技术育种的热点和趋势。

　　GS 以连锁不平衡理论为基础，相比于 MAS 依赖于 QTL 定位的准确性及其附近标记，仅选用少量分子 标记预测少量的 QTL 效应，GS 采用覆盖整个基因 组的分子标记来捕获整个基因组上的变异并对育种 值进行有效预测 [6]。 分子技术育种是对传统育种理论和技术的重 大突破，实现了对基因的直接选择和有效聚合，大幅 度缩短了育种年限，极大地提高了育种效率。目前， 各国对 QTL、MAS、GS 和基因定位等精准育种的 理论和试验研究很多，但在实际育种中应用十分有 限，仅有拜耳 - 孟山都和科迪华等跨国种业巨头的 主要作物育种真正处在分子技术育种(4G)阶段。

　　5　第五代育种技术(5G)：智能育种

　　智能育种(Smart breeding)技术体系，基本定义 为利用农作物基因型、表型、环境、遗传资源(例如 水稻上的品种系谱信息)等大数据为核心基础，通 过人工生物智能技术，在实验室设计培育出一种适 合于特定地理区域和环境下的品系品种。而传统上 的大田仅仅作为品种测试和验证的场所。从而节省 了大量的人力、物力、财力、环境压力等资源。智能 育种是依托多层面生物技术和信息技术，跨学科、多 交叉的一种育种方式。 智能育种以基因型大数据(Genome information) 为核心之一。基因型数据主要来自 5 种基因技术 利用数据，巧合的也是 5G，但是这个 G 是技术，而 不是代数。主要包括：

　　(1)种质资源鉴定(Germplasm characterization)。(2)基因编辑(Gene editing)。基因 编辑是应用先进的基因组学和分子生物学工具对功 能已知的重要基因序列进行定向敲出、单碱基替换、 同源区段替换等操作，创造新的有益遗传变异，从而 实现作物的定向精准改良，在农作物抗病、抗逆性、 园艺作物的花色、保存性等农业性状的改良上发挥 作用 [7]。基因编辑技术具体分为 3 种典型的工具即 锌指核酸酶(ZFN，Zinc finger nucleases)、转录激活 样效应因子核酸酶(TALEN，Transcription activatorlike effector nucleases)、成簇规律间隔短回文重复序 列(CRISPR，Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)，其中 CRISPR-Cas9(CRISPRassociated protein 9)因其操作的简便性、通用性，已 成为目前最广泛应用的基因编辑技术 [8]。

　　(3)基因 功 能 鉴 定(Gene function identification)。(4)基 因 组组装(Genome assembly)。(5)基因组育种方法 (Genomic breeding methodologies)技术。这些基因 型技术的相似点是通过二代测序、SNP 芯片等不同 通量的基因型检测手段，挖掘株型、产量、抗逆性等 性状相关的重要基因与自然变异。 智能育种的核心之二为表现型数据大数据。 也就是说大多数是平常可以看得到的东西，例如水 稻上的稻谷大小、米粒长短等。

　　传统上都是用眼、 笔、纸人工测定，但是随着 20 世纪 90 年代的自动 化，高通量表现型数据的实施技术(Automatic high throughput phenotyping)的突飞猛进，表型数据搜集 基本已经进入数字化阶段。室外主要以卫星、飞机、高密度摄像仪高空摄像机、地面小型机器人、红外 仪、紫外仪等;室内表型技术以德国 LemnaTec®(全 球最大的室内室外型植物表型系统)以及原杜邦 - 陶氏化学的 FAST-CORN 为代表。 智能育种的核心之三为环境大数据。

　　主要包 括：(1)地上部分的数据(AG-above ground)，主要内 容为温度、相对湿度、降雨量、降雪量、日长、日照强 度等。(2)地面上面的数据(OG-on the ground)，病 菌：生理小种、群体、分布等;昆虫：生物型、群体、分 布等;杂草：类型、群体、分布等。(3)地下部分的数 据(UG-Under ground)，土壤特性：类型、结构、肥力、 水分等;土壤微生物：类型、群体、分布等。

　　近年来，人工智能技术，特别是图形成像技术 (Image technology)、数字化技术(Digital 图形成像技 术)等现代技术的快速发展将作物育种引向了新的 阶段。目前世界上如拜耳 - 孟山都和科迪华等跨 国种业巨头基本上能够实现作物性状调控基因的快 速挖掘与表型的精准预测，从而建立智能组合优良 等位基因的自然变异、人工变异、数量性状位点，具 有多基因与多性状聚合的育种设计方案，实现智能、 高效、定向培育新品种 [9-10]。

　　智能育种的基本技术路线是智能设计适合特 定环境的、用于构建育种分离群体的杂交组合;在田 间重复产量测试之前，应用基于基因型大数据、表型 大数据、环境大数据已建立和验证的基因型-表型- 环境模型，对优异品系和试验性杂交种的适应性、产 量、品质性状进行大量计算机模拟，模拟在不同环境 条件下的表现和稳定性;对单个个体在同一世代进 行大规模、多位点的精准基因组编辑，同时创造多个 优异等位基因;在全基因组水平上对已知的不同位 点等位基因的最佳组合进行多基因与多性状的聚 合;培育出像聪明蛋(SmartStack )玉米品种为代表 的真正的高科技农作物品种。智能育种需要生物育 种大数据中心和高度信息化应用方面的支撑。

　　深度 融合了生命科学、信息科学和育种科学的智能育种 是科技发展带来的新机遇，预计在未来 10~20 年，智 能育种发展的快慢势必成为种业核心价值和竞争力 的体现，而由传统育种到分子育种，再到智能育种， 育种的“科学”成分含量越来越多，而育种的“艺术” 成分含量越来越少;实验室基因型分析的个体、品系 数目越来越多，而需要在田间测试的个体、品系数目越来越少。从而，育种的预见性、准确性、效率越来 越高，实现的经济、社会和环境效益也越来越高。

　　农作物论文投稿期刊：分子植物育种(双月刊)创刊于2003年，由海南省生物工程协会主办。是一份为转基因育种、分子标记辅助育种及常规育种服务的国际化科学期刊。

　　6　展望

　　由近现代的杂交育种、杂种优势育种到分子育 种，到正在孕育发展中的智能育种(5G)，育种技术越 来越依赖于多项科技的融合发展。育种的遗传增益 也越来越高。目前我国大部分作物育种仍然处在传 统育种(2G 和 3G)阶段，仅少部分作物已经处于传 统育种(3G)向分子技术育种(4G)的转变阶段，而世 界种业巨头凭借着雄厚的资本、先进的技术基础等 优势，已加速朝智能育种(5G)阶段迈进。

　　我国面临 着种业技术全面革新、国际跨国种业垄断、种业产业对外依存度高的威胁，这给我国作物育种带来新的挑 战，迫使育种科技亟需革命性的改变。我国必须紧抓 全球新一轮科技革命和产业革命迭代的机遇，整合和 引导科技资源及人才向育种 5G 技术靠拢，加快原始 创新，抢占种业技术制高点，确保我国种业具有持续 竞争力，保障我国粮食安全、食品安全和生态安全。

　　参考文献

　　[1] ISF.Plant breeding helps us to produce more with less，improving resourceuse efficiency and reducing pressure on the environment.https ：//www. worldseed.org/our-work/plant-breeding/

　　[2] Wallace J G，Rodgers-Melnick E，Buckler E S.On the road to breeding 4.0：unraveling the good，the bad，and the boring of crop quantitative genomics.Annual Review of Genetics，2018，52(1)：421-444

　　[3] 盖钧镒，刘康，赵晋铭.中国作物种业科学技术发展的评述.中国农 业科学，2015，48(17)：3303-3315

　　[4] 王红梅，陈玉梁，石有太，李静雯，王立光.中国作物分子育种现状 与展望.分子植物育种，2020，18(2)：507-513

　　[5] 关淑艳，费建博，刘智博，金栋梁，马义勇.分子标记辅助选择 (MAS)在玉米抗逆育种中的应用.吉林农业大学学报，2018，40 (4)：399-407

　　[6] 王亚琦，孙子淇，郑峥，黄冰艳，董文召，汤丰收，张新友.作物分子 标记辅助选择育种的现状与展望.江苏农业科学，2018，46(5)： 6-12

　　[7] 王维佳，李萌鑫.基因编辑技术在农业育种中的应用.安徽农业科 学，2020，48(3)：18-25

　　[8] 石伟佳，刘芳.CRISPR 基因编辑技术及其应用与检测方法.农业与 技术，2020，40(4)：18-20，35

　　作者：应继锋 1，2 　刘定富 3 　赵　健 2