“智能作物智能培育”是未來育種5.0世代的特征與關鍵

全球變暖，極端天氣頻發(fā)，人口不斷增長，耕地與水資源緊張，人類生活水平不斷提高，這些都對培育下一代的作物品種提出了新的要求。未來，育種5.0世代的主要特征與核心技術是什么？目前國際上還沒有統(tǒng)一的標準。近期，崖州灣國家實驗室/中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所李家洋院士團隊在《科學通報》發(fā)表觀點文章，指出“智能作物智能培育”是未來育種5.0世代的特征與關鍵。

糧食安全一直是世界人口增長面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)。1927年世界人口首次達到20億，2022年突破80億。在這100年人口的快速增長背后，育種技術的快速發(fā)展以及作物單產的大幅提高起到了決定性的支撐作用。根據(jù)聯(lián)合國數(shù)據(jù)，預計2050年世界人口將達到97億，現(xiàn)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(fā)展史，基礎研究的發(fā)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”，指從新石器時代人類文明起源開始，人類在漫長的發(fā)展過程中不斷的對較好野生物種一代代的選留，通過緩慢積累有益于農業(yè)生產的自然變異，以馴化綜合征為育種目標，使植物落粒性降低、從匍匐變?yōu)橹绷⑸L、降低種子休眠性等，逐漸成為栽培農家品種的過程。育種2.0“雜交育種”，指在遺傳學和統(tǒng)計學建立的基礎上，育種者開始有意識的基于遺傳規(guī)律去雜交選育，使得雙親的優(yōu)良性狀能夠在后代中聚合的育種方法。以矮化育種為目標，通過將矮稈品種與高產品種雜交培育出“綠色革命”高產矮稈品種；以雜種優(yōu)勢利用為育種目標，成功開發(fā)雜交制種技術體系培育出雜交玉米和雜交水稻，使得全世界水稻、小麥和玉米產量大幅度提升，保障了世界糧食安全。育種3.0“分子育種”，是指在1953年發(fā)現(xiàn)遺傳物質DNA結構開啟分子生物學時代后，利用輻射與化學誘變以及轉基因技術，人為的產生隨機突變增加遺傳多樣性，直接進行利用或通過分子標記輔助將調控特定性狀的目的基因導入育種材料進行育種的方法。利用這些技術培育出的抗蟲棉花和玉米、抗除草劑大豆、抗白葉枯水稻等，為提升農業(yè)生產效率與產量、減少病蟲害造成的減產損失做出了重要貢獻。育種4.0“設計育種”，是指在作物參考基因組的建立、主效基因的克隆鑒定、自然群體變異解析的基礎上，闡明重要農藝性狀形成的分子機制，設計優(yōu)異基因的理想組合，高效指導育種親本選擇和雜交后代全基因組選擇的育種過程。與此前的育種技術相比，設計育種技術能夠大大減少育種中的盲目性，大幅提高育種效率，縮短育種周期，協(xié)同改良多個農藝性狀，例如水稻新“綠色革命”基因IPA1的克隆與應用使得矮稈雜交水稻的產量實現(xiàn)進一步突破，高產優(yōu)質性狀的分子機制解析以及協(xié)同改良解決了長期難以解決的“優(yōu)質不高產”的育種難題。四個育種世代的發(fā)展為保障全球糧食安全做出了重要貢獻。然而，隨著人口持續(xù)增加和全球環(huán)境變化，未來作物品種培育面臨新的挑戰(zhàn)。

圖1. 基礎研究的發(fā)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?！爸悄茏魑锏闹悄芘嘤笔侵竿ㄟ^發(fā)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(huán)境變化的作物品種，可以根據(jù)外界環(huán)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(fā)育階段最優(yōu)化的動態(tài)調整株型，提升光能、肥料、水等農業(yè)資源的利用效率，實現(xiàn)作物能量轉化利用的動態(tài)調控以及在生長與抗性之間的協(xié)同優(yōu)化，增加糧食產量，提高食物食味與營養(yǎng)品質，減少化肥農藥等農業(yè)資源的使用，減少自然災害損失，從而實現(xiàn)“兩增兩減”的育種目標（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(chuàng)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(xié)同調控的分子網絡，利用新型傳感器與信息技術，建立大規(guī)模作物信息數(shù)據(jù)庫，對作物發(fā)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(xiàn)對作物表型的精準預測，根據(jù)“兩增兩減”的育種需求，改造設計并創(chuàng)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(xiàn)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(yè)的芯片。若要真正實現(xiàn)“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(fā)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(fā)展階段也不一樣，這些都需要針對性的開展研究。二是農業(yè)科學研究受限于作物的生長周期，科研周期較長，同時農業(yè)的創(chuàng)新鏈條很長，要完整的實現(xiàn)從理論創(chuàng)新到品種突破，需要冷板凳精神、長期穩(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)境互作產生的復雜結果，但表型數(shù)據(jù)獲取周期長成本高，高質量表型數(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(yǎng)復合型的新型種業(yè)人才和研究團隊，支撐學科交叉與原始創(chuàng)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(qū)，建立完善的審定推廣管理體系等方式，將新技術優(yōu)勢利用在未來作物育種中。同時，育種5.0的發(fā)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(yōu)異新品種，保障世界糧食安全。

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余泓, 白世偉, 李家洋. 邁向育種5.0: 智能品種的智能培育. 科學通報, 2024, 69(32): 4687-4690