本文于2024年11月15日發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》

根據(jù)聯(lián)合國(guó)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2050年世界人口將達(dá)到97億， 現(xiàn)有糧食增長(zhǎng)率將無(wú)法滿足人口增長(zhǎng)的需求，亟需下一代的育種革命進(jìn)一步提升糧食產(chǎn)量，那么下一代育種技術(shù)核心是什么呢？

縱觀作物育種技術(shù)發(fā)展史，基礎(chǔ)研究的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了育種技術(shù)的世代演進(jìn)， 可以主要分為四個(gè)世代（圖1）：

育種1.0“馴化選 育”：始于新石器時(shí)代，人類通過(guò)長(zhǎng)期選擇和積累自然變異，以馴化綜合征為目標(biāo)，將野生物種逐漸馴化為栽培品種，使植物落粒性降低、直立生長(zhǎng)、種子休眠性降低等。

育種2.0“雜交育種”：基于遺傳學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的建立，育種者通過(guò)雜交選育，將雙親的優(yōu)良性狀聚合在后代中。例如，“綠色革命”期間，通過(guò)矮稈品種與高產(chǎn)品種的雜交，培育出高產(chǎn)矮稈品種，同時(shí)開發(fā)雜交玉米和雜交水稻技術(shù)，顯著提高水稻、小麥和玉米產(chǎn)量，保障了糧食安全。

育種3.0“分子育種”：在DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)后，利用輻射和化學(xué)誘變、轉(zhuǎn)基因技術(shù)以及分子標(biāo)記輔助育種，增加遺傳多樣性并定向引入目標(biāo)基因?？瓜x棉花、抗除草劑大豆和抗白葉枯水稻等新品種的培育，有效提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率并減少病蟲害損失。

育種4.0“設(shè)計(jì)育種”：基于作物參考基因組、主效基因克隆與自然群體變異解析，明確農(nóng)藝性狀的分子機(jī)制，通過(guò)基因組合設(shè)計(jì)和全基因組選擇，大幅提高育種效率和精確性。例如，新“綠色革命”基因IPA1的克隆與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了矮稈雜交水稻的進(jìn)一步增產(chǎn)，并協(xié)同改良高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)性狀，解決了“優(yōu)質(zhì)不高產(chǎn)”的難題。

圖1. 基礎(chǔ)研究的發(fā)展推動(dòng)育種技術(shù)的世代演進(jìn)

李家洋院士提出“智能作物的智能培育”是未來(lái)育種5.0世代的特征與關(guān)鍵。“智能作物的智能培育”是指通過(guò)發(fā)展和使用智能的技術(shù)培育智能的品種，主要包含兩方面的內(nèi)涵：

第一是“智能品種”，指能夠自主應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的作物品種，可以根據(jù)外界環(huán)境的變化，啟動(dòng)與之相應(yīng)的分子調(diào)控通路，從而使得作物能夠抵抗生物脅迫以及未來(lái)氣候變化帶來(lái)的非生物脅迫，在不同的發(fā)育階段最優(yōu)化的動(dòng)態(tài)調(diào)整株型，提升光能、肥料、水等農(nóng)業(yè)資源的利用效率，實(shí)現(xiàn)作物能量轉(zhuǎn)化利用的動(dòng)態(tài)調(diào)控以及在生長(zhǎng)與抗性之間的協(xié)同優(yōu)化，增加糧食產(chǎn)量，提高食物食味與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，減少化肥農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)資源的使用，減少自然災(zāi)害損失，從而實(shí)現(xiàn)“兩增兩減”的育種目標(biāo)（圖2）。

第二是“智能培育”，指發(fā)展與利用不斷發(fā)展的前沿生物技術(shù)以及信息技術(shù)，BT與AI融合，通過(guò)性狀組、泛基因組、蛋白質(zhì)修飾組、新型遺傳資源創(chuàng)制、野生遺傳資源挖掘利用，解析重要性狀形成的分子機(jī)制與多性狀協(xié)同調(diào)控的分子網(wǎng)絡(luò)，利用新型傳感器與信息技術(shù)，建立大規(guī)模作物信息數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)作物發(fā)育過(guò)程進(jìn)行建模，對(duì)基因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)和功能進(jìn)行預(yù)測(cè)，利用人工智能算法構(gòu)建模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物表型的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，根據(jù)“兩增兩減”的育種需求，改造設(shè)計(jì)并創(chuàng)造新型蛋白質(zhì)、基因調(diào)控元件、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及基因組合，將基因編輯、染色體工程、倍性技術(shù)、細(xì)胞器基因組編輯、快速育種技術(shù)、合成生物學(xué)、野生植物從頭馴化、植物物質(zhì)交互與操控等新技術(shù)與前四個(gè)世代的育種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，大幅提升育種效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)培育智能品種的目標(biāo)。

圖2. “兩增兩減”是智能品種培育的核心目標(biāo)

種子是農(nóng)業(yè)的芯片。若要真正實(shí)現(xiàn)“智能品種智能培育”的設(shè)想， 邁向育種5.0，仍需多方面的努力。

一是不同作物的生長(zhǎng)發(fā)育及生產(chǎn)模式不同，育種需求也存在差異，回顧前四個(gè)育種世代，不同作物的育種歷程既有共性也有個(gè)性。同時(shí)，不同作物的研究基礎(chǔ)與發(fā)展階段也不一樣，這些都需要針對(duì)性的開展研究。

二是農(nóng)業(yè)科學(xué)研究受限于作物的生長(zhǎng)周期，科研周期較長(zhǎng)，同時(shí)農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新鏈條很長(zhǎng)，要完整的實(shí)現(xiàn)從理論創(chuàng)新到品種突破，需要冷板凳精神、長(zhǎng)期穩(wěn)定支持和新型科研組織模式。

三是作物表型是遺傳信息與外界環(huán)境互作產(chǎn)生的復(fù)雜結(jié)果，但表型數(shù)據(jù)獲取周期長(zhǎng)成本高，高質(zhì)量表型數(shù)據(jù)積累困難，需要在不同的地理位置和環(huán)境條件下針對(duì)性的開展研究。

四是新的育種體系需要生物技術(shù)與信息技術(shù)融合，需要建立跨領(lǐng)域的合作模式與機(jī)制，培養(yǎng)復(fù)合型的新型種業(yè)人才和研究團(tuán)隊(duì)，支撐學(xué)科交叉與原始創(chuàng)新。

五是要注重生物安全，生物技術(shù)日新月異，可以通過(guò)開辟生物安全實(shí)驗(yàn)區(qū)，建立完善的審定推廣管理體系等方式，將新技術(shù)優(yōu)勢(shì)利用在未來(lái)作物育種中。同時(shí)，育種5.0的發(fā)展一定是與前四個(gè)世代的育種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的組合和交融，從而高效培育出下一代“兩增兩減”優(yōu)異新品種，保障世界糧食安全。

李家洋，1956年7月出生于安徽省肥西縣，1981年畢業(yè)于安徽農(nóng)學(xué)院（現(xiàn)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)），1991年獲得美國(guó)布蘭代斯大學(xué)博士學(xué)位。著名植物分子遺傳學(xué)家，是中國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士、德國(guó)科學(xué)院院士、英國(guó)皇家學(xué)會(huì)外籍院士 、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士、國(guó)際歐亞科學(xué)院院士、歐洲分子生物學(xué)組織外籍成員、美國(guó)植物生物學(xué)家協(xié)會(huì)終身會(huì)員。

李家洋主要從事植物分子遺傳學(xué)研究，主要研究植物激素的合成途徑與作用機(jī)理，著重于闡明高等植物株型形成的分子機(jī)理，并致力于水稻的分子品種設(shè)計(jì)，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、高效的水稻新品種。

現(xiàn)任第十四屆全國(guó)政協(xié)常委、農(nóng)業(yè)和農(nóng)村委員會(huì)委員，崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任

信息來(lái)源：Hong Yu, Shiwei Bai, Jiayang Li, Towards Breeding 5.0: Smart variety by intelligent breeding, Chinese Science Bulletin, Volume 69, Issue 32, 2024

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