以下文章來源于南北學苑 ，作者王向峰

      作者 | 王向峰(中國農業大學，國家玉米改良中心）

      本人是搞理論研究的，由內向外、在微觀層面上理解育種的本質是什么，以及如何利用現代生物技術、信息技術使育種家的工作變得更簡單、更便利、成本更低。利用這次機會，和大家分享一下本人的一些新的感悟。

      育種家利用雜交重組將染色體上的遺傳變異（或稱基因型、等位基因）重新排列組合，以獲得目標性狀。育種家選擇材料實際上是選擇基因的優異變異的組合。對目標性狀（例如：產量）有利的變異統稱為“有利等位基因（favorable alleles）”，而不利的變異統稱為“不利等位基因（unfavorable alleles）”。那么育種家是否可以無限地聚合有利等位基因，或者完全清除掉“不利等位基因”呢？答案是否定的。雖然我們以最終的目標性狀定義有利與不利，但是：

      首先，有利與不利是相對的；其次，有利與不利是相互作用的。這兩條規律決定了育種家無法無限地聚合有利基因或清除不利基因，而他們真正的育種行為是在“平衡（balance）”有利等位基因與不利等位基因的相互關系，而且平衡的“時機（timing）”也至關重要。因此，育種毫不夸張的說是一門哲學，與中醫的理論基礎是類似的。

      那么，為什么平衡與時機是最重要的？以下根據本人在理論研究工作中的一些理解進行闡述。首先，有利與不利在不同的發育階段是相對的。植物發育的過程是依靠基因與基因之間的調控關系驅動的：終止某一發育階段需要關閉一組基因，而啟動新的發育階段則需要開啟新的一組基因。舉個較為容易理解的例子，就是營養期生長階段與生殖期生長階段的基因的調控關系。比如，A 基因的促進營養期生長的等位基因 AA，可以加速能量的轉換與生物量的積累，可以定義為 A 基因的有利等位基因或強基因型；而在植物發育進入生殖期階段后，A 基因的功能需要被關閉，那么 A 基因的有利等位基因 AA有可能因為會阻礙生殖期生長，而變成了不利等位基因。反之，B 基因的促進生殖階段生長的有利等位基因 BB，在營養期階段可能是抑制營養生長的，即定義為不利等位基因。

      賈思勰在其《齊民要術》一書中就提到“凡谷，成熟有早晚，苗桿有高下，收實有多少，質性有強弱，米味有美惡，粒實有息耗”，“早熟者苗短而收多，晚熟者苗長而收少”。這些記載明確地提出谷物成熟早晚、苗桿高矮與產量之間的關系，其背后的分子生物學機制，即：在營養期與生殖期轉換的這個關鍵時間節點，兩個發育時期的兩組調控基因的不同等位基因變異之間的協調模式，決定了作物的最終產量。這就是我前面為什么說育種行為的本質就是“平衡”與“時機”。育種家花費的大量時間是在平衡具有正向、負向調控功能的變異，而并非是簡單地聚合優異基因。僅僅在營養期到生殖期轉換的一個發育節點，可能有數十、數百個關鍵調控基因的參與，輻射到穗發育、籽粒發育等非常多的生物學過程和基因調控通路。這就是為什么改良貌似簡單的一個性狀，也是一個艱苦而漫長的過程。

      其次，有利與不利在不同的生長環境下是相對的。《齊民要術》中還提到：“地勢有良薄（良田宜種晚，薄田宜種早。良地非獨宜晚，早亦無害；薄地宜早，晚必不成實也），山澤有異宜（山田種強苗，以避風霜；澤田種弱苗，以求華實也）”。這其實揭示的是基因型與環境因素的相互作用關系，即：某一環境下的有利等位基因，在其他的環境下可能就是不利等位基因。

      植物基因組中感受日照長短（光周期）、調控開花時間的基因就是典型的例子：開花基因適應于低緯度、短日照地區的有利等位基因變異，在高緯度、長日照地區就是阻礙植物正常生長發育的不利等位基因。如果改造一個品種的緯度適應性或光周期適應性，僅僅改變一個開花基因的等位基因能否實現？答案是不能的。

      因為光周期適應基因里面包含很多的轉錄因子，一個轉錄因子表達模式的改變，還需要下游靶基因一起跟隨調控因子的改變而改變。下游的靶基因也具有各自的有利等位基因和不利等位基因，對調控因子信號的感受也是不同的，需要逐級平衡，直至整個基因調控網絡處于一個最優的狀態，才能完成一個品種的適應性改良。

      這好比一個單位來了新的一把手，一把手所做的第一件事就是換領導班子，班子成員再換自己得心應手的基層人員，需要逐級、逐漸地協調、平衡人事關系，才能最終把單位調整到一個最佳的工作狀態。所以說，南種北移、北種南移都不是一蹴而就的事情；貌似改良一到兩個光周期感受基因就可以實現，但是實際上要調整整個發育的基因調控網絡與環境適應性基因網絡。

      最后，從有利與不利等位基因的角度探討一下玉米雜種有利的機理。為什么玉米是雜種有利利用最為成功的作物，可能與玉米這個物種自身基因調控、生長發育的特點有關，這里不做討論。遺傳互補是產生雜種有利的基礎，這是毋庸置疑的。但是，兩個可以產生優秀配合力的群體之間究竟互補了什么基因、什么變異、互補的模式是什么，是值得探究的。

      以前認為兩個群體間的遺傳距離是產生雜種有利的基礎，但遺傳距離實際上是兩個群體在適應不同生態環境后各自獨立演化的一種結果，它不是產生雜種有利的原因。如果鑒定到影響雜種有利的核心基因，是可以快速建立新的雜種有利群體的，而兩個群體的遺傳差異有可能不需要很大。對于加性效應的基因座，雜交種中純和的有利等位基因型可以促進性狀改良，是育種家通過基因聚合、逐步提高自交系自身優異性狀的主要基因。對于某些、少部分表現為顯性效應的基因座，雜交種中需要他們維持雜合基因型的狀態才能表現出強雜種有利（即：雙親的某些關鍵基因要攜帶互補的基因型）。為什么？綜合上述兩條：“有利與不利在不同的發育階段是相對的”與“有利與不利在不同的生長環境下是相對的”，就可以理解了。

      首先，解答什么樣的基因需要顯性互補的基因型。一類基因是參與調控植物生長發育的基因。最為關鍵的時間節點是營養期到生殖期轉換的發育節點，也就是調控開花的時間節點。開花啟動是一個復雜的生物學過程，但可以簡單理解為：促進營養生長的有利基因型到了生殖期就變成了阻礙生殖生長的不利基因型；而抑制營養生長的不利基因型到了生殖期就變成了促進生殖生長的有利基因型。自交系里這類基因處于純和狀態，只有一套“開關”；如果滿足一個發育階段的準確調控，就無法滿足另一個發育階段，因此表現為自交衰退（說白了就是發育不良）。雜交種里這類基因處于雜合狀態，具有兩套相互補充的“開關”；兩個發育階段的準確調控都可以滿足，因此第一表現出自交衰退的恢復，第二表現出雜種有利。

      植物的正常發育與所處環境的日照、溫度、光強有關。發育相關的基因，尤其是開花基因或光周期響應基因，演化出不同的環境適應性變異。這些環境適應性基因的變異可以針對環境適應性的高低，分為有利等位基因與不利等位基因，也是根據環境的不同而可以相互轉換。植物的生長發育是依靠感受環境因子而進行的，這兩套“開關”是統一且融合的。所以說，構建雜種有利模式清晰的雙親群體的過程，就是在匹配這兩個親本群體的“開關”；用某一個測驗種與另外一個群做測交，就是在用測驗種的這套“開關”去測試另一個群的“開關”的匹配程度，能否達到協調雜交種發育的最優狀態的目的。這個匹配程度就是用我們常說的產量的一般配合力來衡量。一般配合力代表了兩個親本群體發育進程的協調性，以及對環境響應的一致性。這個協調性與一致性是可以用數學模型量化的，有了模型就可以做預測。特殊配合力則是在一般配合力優秀的基礎上，由于某些基因的罕見優異變異的累加所形成的。由于這些優異變異是罕見等位基因，是難以預測的。

      育種是一件艱苦而漫長的事業。看似簡單的一個性狀，如果育種家想將這個性狀導入到自己的育種材料中，也是一個非常復雜的過程的。因為，即使僅僅導入一個新的有利等位基因變異，也需要平衡這個基因的變異與其他基因，或者說整個基因調控網絡的協調關系。所以說，遺傳改良的本質是在微調一個基因調控網絡。

      微調的目的是平衡基因與基因之間的調控關系、有利等位基因與不利等位基因的關系、不同發育階段之間的關系、性狀與性狀之間的關系、父母本間環境響應模式的關系。這個漫長而復雜的“平衡”過程，就是在群體基數十分大的情況下，選擇一個最優的基因調控網絡。那么，有什么樣的新技術能夠盡量簡化育種家們的組材、選材、組配的過程呢？全基因組選擇輔助育種技術是一個理想的解決方案。全基因組選擇依靠的是基因組中所有的分子標記（即：SNP）的遺傳效應、對性狀的貢獻程度和相互關系，而非僅僅關注某一個基因的效應。我在很多會議和資料對該技術都有過較為深入的介紹，在此不在贅述。

      我經常拿育種與中醫比較，既是經驗科學也是哲學問題。很多猜想都是個人在實踐中感悟的，仁者見仁、智者見智。育種家們在各自的實踐工作中揣摩、感悟其中的規律，看是不是這個道理。本人才疏學淺，對上述問題的理解可能有偏頗的地方，敬請各位老師批評指正。最后，祝愿南北學院的各位育種家和老師 2021年育出好的品種。