本文于2024年11月15日發表于《科學通報》

      根據聯合國數據，預計2050年世界人口將達到97億，現有糧食增長率將無法滿足人口增長的需求，亟需下一代的育種革命進一步提升糧食產量，那么下一代育種技術核心是什么呢？

      縱觀作物育種技術發展史，基礎研究的發展與科學技術的進步推動了育種技術的世代演進，可以主要分為四個世代（圖1）：

      育種1.0“馴化選育”：始于新石器時代，人類通過長期選擇和積累自然變異，以馴化綜合征為目標，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、種子休眠性降低等。

      育種2.0“雜交育種”：基于遺傳學和統計學的建立，育種者通過雜交選育，將雙親的優良性狀聚合在后代中。例如，“綠色革命”期間，通過矮稈品種與高產品種的雜交，培育出高產矮稈品種，同時開發雜交玉米和雜交水稻技術，顯著提高水稻、小麥和玉米產量，保障了糧食安全。

      育種3.0“分子育種”：在DNA結構發現后，利用輻射和化學誘變、轉基因技術以及分子標記輔助育種，增加遺傳多樣性并定向引入目標基因。抗蟲棉花、抗除草劑大豆和抗白葉枯水稻等新品種的培育，有效提升了農業生產效率并減少病蟲害損失。

      育種4.0“設計育種”：基于作物參考基因組、主效基因克隆與自然群體變異解析，明確農藝性狀的分子機制，通過基因組合設計和全基因組選擇，大幅提高育種效率和精確性。例如，新“綠色革命”基因IPA1的克隆與應用實現了矮稈雜交水稻的進一步增產，并協同改良高產與優質性狀，解決了“優質不高產”的難題。

圖1. 基礎研究的發展推動育種技術的世代演進

      李家洋院士提出“智能作物的智能培育”是未來育種5.0世代的特征與關鍵。“智能作物的智能培育”是指通過發展和使用智能的技術培育智能的品種，主要包含兩方面的內涵：

      第一是“智能品種”，指能夠自主應對環境變化的作物品種，可以根據外界環境的變化，啟動與之相應的分子調控通路，從而使得作物能夠抵抗生物脅迫以及未來氣候變化帶來的非生物脅迫，在不同的發育階段最優化的動態調整株型，提升光能、肥料、水等農業資源的利用效率，實現作物能量轉化利用的動態調控以及在生長與抗性之間的協同優化，增加糧食產量，提高食物食味與營養品質，減少化肥農藥等農業資源的使用，減少自然災害損失，從而實現“兩增兩減”的育種目標（圖2）。

      第二是“智能培育”，指發展與利用不斷發展的前沿生物技術以及信息技術，BT與AI融合，通過性狀組、泛基因組、蛋白質修飾組、新型遺傳資源創制、野生遺傳資源挖掘利用，解析重要性狀形成的分子機制與多性狀協同調控的分子網絡，利用新型傳感器與信息技術，建立大規模作物信息數據庫，對作物發育過程進行建模，對基因和蛋白質的結構、網絡和功能進行預測，利用人工智能算法構建模型，實現對作物表型的精準預測，根據“兩增兩減”的育種需求，改造設計并創造新型蛋白質、基因調控元件、調控網絡以及基因組合，將基因編輯、染色體工程、倍性技術、細胞器基因組編輯、快速育種技術、合成生物學、野生植物從頭馴化、植物物質交互與操控等新技術與前四個世代的育種技術有機結合，大幅提升育種效率，進而實現培育智能品種的目標。

圖2. “兩增兩減”是智能品種培育的核心目標

      種子是農業的芯片。若要真正實現“智能品種智能培育”的設想，邁向育種5.0，仍需多方面的努力。

      一是不同作物的生長發育及生產模式不同，育種需求也存在差異，回顧前四個育種世代，不同作物的育種歷程既有共性也有個性。同時，不同作物的研究基礎與發展階段也不一樣，這些都需要針對性的開展研究。

      二是農業科學研究受限于作物的生長周期，科研周期較長，同時農業的創新鏈條很長，要完整的實現從理論創新到品種突破，需要冷板凳精神、長期穩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境互作產生的復雜結果，但表型數據獲取周期長成本高，高質量表型數據積累困難，需要在不同的地理位置和環境條件下針對性的開展研究。

      四是新的育種體系需要生物技術與信息技術融合，需要建立跨領域的合作模式與機制，培養復合型的新型種業人才和研究團隊，支撐學科交叉與原始創新。

      五是要注重生物安全，生物技術日新月異，可以通過開辟生物安全實驗區，建立完善的審定推廣管理體系等方式，將新技術優勢利用在未來作物育種中。同時，育種5.0的發展一定是與前四個世代的育種技術進行有機的組合和交融，從而高效培育出下一代“兩增兩減”優異新品種，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年畢業于安徽農學院（現安徽農業大學），1991年獲得美國布蘭代斯大學博士學位。著名植物分子遺傳學家，是中國科學院院士、美國國家科學院外籍院士、德國科學院院士、英國皇家學會外籍院士 、發展中國家科學院院士、國際歐亞科學院院士、歐洲分子生物學組織外籍成員、美國植物生物學家協會終身會員。

      李家洋主要從事植物分子遺傳學研究，主要研究植物激素的合成途徑與作用機理，著重于闡明高等植物株型形成的分子機理，并致力于水稻的分子品種設計，培育高產、優質、多抗、高效的水稻新品種。

      現任第十四屆全國政協常委、農業和農村委員會委員，崖州灣國家實驗室主任

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

      編輯丨農財君

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