摘要：全球人口激增、氣候持續(xù)變化、土地資源退化、生態(tài)環(huán)境污染等諸多問題給世界農(nóng)業(yè)帶來了巨大壓力。作物育種技 術(shù)的進(jìn)步為糧食產(chǎn)量的增加作出了重要貢獻(xiàn)，是解決世界農(nóng)業(yè)困局和保障世界糧食安全的核心關(guān)鍵。但是近 30 年來的水稻 單產(chǎn)增長緩慢，對農(nóng)作物育種技術(shù)的改進(jìn)和提高提出了新的要求。因此，需要研究和開發(fā)更加有效的育種技術(shù)體系。根據(jù)國 內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)和作者的海外經(jīng)歷，簡要回顧作物育種技術(shù)的現(xiàn)狀及趨勢，重點介紹第 5 代(5th Generation=5G)作物育種即智 能育種技術(shù)系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞：分子技術(shù)育種;智能育種;第五代(5G)作物育種技術(shù)

　　根據(jù)預(yù)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(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% 來自品種的改良。

　　但栽培、生產(chǎn)技術(shù)對作物產(chǎn)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(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)育種實踐，對于應(yīng) 對病蟲害侵?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的糧食短缺及農(nóng)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(shù)的發(fā)展階 段將作物育種技術(shù)分為 5 個時代育種體系。

　　1　第 1 代育種技術(shù)(1G)：作物馴化技術(shù)

　　對作物進(jìn)行馴化大約從 1 萬年前開始，早期的 農(nóng)民并不懂得遺傳多樣性的理論，但是已經(jīng)開始有 意識或無意識地在利用其價值對植物進(jìn)行偶然的選 擇，他們會選擇在產(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(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， 孟德爾在發(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，育種家和專業(yè)的科學(xué)家通過人工雜交的手 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)計學(xué)和 田間試驗設(shè)計等理論和手段，具有一定的預(yù)見性，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

　　這一時期的育種包括雜種優(yōu)勢育種及主動誘 變育種。19 世紀(jì)末至 20 世紀(jì)初，英國的一些種子 公司開始對植物進(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)勢和雙雜交種在商業(yè)化上應(yīng)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(yùn)用。

　　1940 年，物理、化學(xué)或太空誘變等手 段在作物育種上開始應(yīng)用，主動的誘變育種可以創(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(shù)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(chǎn)量，推動了農(nóng)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(jīng)驗 來選擇好的表型育種材料，且由于傳統(tǒng)育種對于復(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 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)手段開始在作物育種上運(yùn)用。

　　自 1983 年第 1 例轉(zhuǎn)基因植物開始，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 是針對作物單個或多個性狀進(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，通過選擇不同的啟 動子，可以改變基因時空表達(dá)模式和強(qiáng)弱。目前已 在作物的抗病、抗蟲、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(biāo)基因緊密連鎖或表現(xiàn)共分離的分子標(biāo) 記對選擇個體進(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(shù)育種的熱點和趨勢。

　　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)測少量的 QTL 效應(yīng)，GS 采用覆蓋整個基因 組的分子標(biāo)記來捕獲整個基因組上的變異并對育種 值進(jìn)行有效預(yù)測 [6]。 分子技術(shù)育種是對傳統(tǒng)育種理論和技術(shù)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(zhǔn)育種的 理論和試驗研究很多，但在實際育種中應(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 過人工生物智能技術(shù)，在實驗室設(shè)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(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)主要來自 5 種基因技術(shù) 利用數(shù)據(jù)，巧合的也是 5G，但是這個 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)。基因 編輯是應(yīng)用先進(jìn)的基因組學(xué)和分子生物學(xué)工具對功 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]。基因編輯技術(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(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)。 也就是說大多數(shù)是平常可以看得到的東西，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(jì) 90 年代的自動 化，高通量表現(xiàn)型數(shù)據(jù)的實施技術(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 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、相對濕度、降雨量、降雪量、日長、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：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，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，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(shè)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(shù)路線是智能設(shè)計適合特 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(yīng)性、產(chǎn) 量、品質(zhì)性狀進(jìn)行大量計算機(jī)模擬，模擬在不同環(huán)境 條件下的表現(xiàn)和穩(wěn)定性;對單個個體在同一世代進(jìn) 行大規(guī)模、多位點的精準(zhǔn)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(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)展帶來的新機(jī)遇，預(yù)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(xué)”成分含量越來越多，而育種的“藝術(shù)” 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(yù)見性、準(zhǔn)確性、效率越來 越高，實現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益也越來越高。

　　農(nóng)作物論文投稿期刊：分子植物育種(雙月刊)創(chuàng)刊于2003年，由海南省生物工程協(xié)會主辦。是一份為轉(zhuǎn)基因育種、分子標(biāo)記輔助育種及常規(guī)育種服務(wù)的國際化科學(xué)期刊。

　　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(shù)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(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，已加速朝智能育種(5G)階段邁進(jìn)。

　　我國面臨 著種業(yè)技術(shù)全面革新、國際跨國種業(yè)壟斷、種業(yè)產(chǎn)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(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，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。

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　　作者：應(yīng)繼鋒 1，2 　劉定富 3 　趙　健 2