育种的艺术

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育种的艺术

宣布时间：2024-12-17 11:14:00 泉源：BWGL of WWT

也许各人可以一眼认出下图左边的玉米 (Zea mays)，但玉米舮uan呤鞘裁粗参锏闹肿？是小麦 (Triticum aestivum)的？也可能是水稻 (Oryza sativa)的？或允许能都不是。

图1 玉米和大刍草籽粒 (J. Doebley, 2004)

这个具有坚硬外壳的种子恰恰属于玉米的祖先——大刍草。现在的看法以为，小颖大刍草亚种 (Zea mays ssp. parviglumis)和墨西哥高原大刍草亚种(Zea mays ssp. mexicana)为现代玉米的祖先。

当第一位史前智人将随手拣来的植物作为食物之时，人类的生长就注定与植物无法疏散。而作物育种也冥冥之中随着人类前进一直更新换代，耐久弥新。作物也从无人问津的杂草逐渐变为了司空见惯的作物，这其中的改变蕴含着人类最原shi对美的追求。育种，是一门科技与艺术融会，优雅的学科。

作甚育种

WiKipedia中将作物育种界说为了“一门改变植物性状来获得理想特征的科学”。《园艺育种学》中将育种界说为了“针对育种目的，选择适当的种质资源，接纳合理的育种途径，育成新品种的历程。”在我看来，育种的历程是人为施加选择压的一种“非自然选择”，通过改变作物原有的演化偏向及速率，在短时间内获得稳固遗传、知足理想目的的作物品种。对于杂种优势育种来说，则亲本是稳固遗传的。

作甚艺术

育种的历史

人类作物育种的历史不仅见证了人类文明的前进，也是科技生长的缩影。现在主流的看法将人类的育种史分为四个阶段 (Wallace, Rodgers-Melnick, & Buckler, 2018)：

育种1.0时代：驯化（10万年前）

由于“新仙女木事务”，远古智人不得不捡拾起不起眼的草籽果腹，这也开启了人类与作物爱恨qing仇的育种（驯化）时代。在这个阶段，人们凭证自己的需求选择性地莳植和收获，逐渐驯化野生植物，形成了最初的莳植作物。这段时间里，人类多数选择了果腹的食物，也逐步演化成我们现在所习惯的主粮作物。其中，最令我感应惊讶的是，人类居然将文章开头提到的大刍草这种外壳坚硬、不行直接食用的杂草通过人工选择一直驯化成了今天软糯香甜的玉米。私以为，驯化就是生物演化最快速的体现，通过长时间的基因变异以及人工筛。嘤龈屎先死嗟钠分，但驯化的误差也充实展现——驯化时间过长。据考古证据批注，一类作物的驯化wangwang需要千年以致万年的时间，这放在自然历史上无疑是一ci蝍n蟮淖尘，可是对于当下的我们来说，时间就是一切，同时，由于缺乏遗传理论的助力，依赖质朴的筛选看法注定不是人类育种最终的选择。

图2 作物及其祖先性状 (J. F. Doebley, Gaut, & Smith, 2006)

育种2.0时代：杂交育种（19世纪末期/20世纪初期）

20世纪初，随着奥地利的神父在教堂后花园中，以一己之力打开了现代遗传学的大门，科学家开shi探索遗传和变异的神秘。这一时期的标志性手艺是杂交育种。通过差异品种间的杂交，集中优良性状于一个个体，培育出新的品种。最值得注重的要数袁隆平先生团队所研制的杂交水稻，通过不育系、恢复系和保持系搭配，育成了雄性不育水稻，实现了水稻育种的n笤窘。现在gai手艺已经生长到了两系法，海内外的科研人yuan也在探索着一系法的可能性。放眼于育种工业，短期内杂交育种仍然是中国以致天下育种的主流要领，可是其效率低的弱点也日益显着，新品种培育一ban需要10年以上，而且很难选出突破性品种，一粒优质的种子的背后wangwang凝缩着育种事情者数十年的心血。

育种3.0时代：分子育种（20世纪末）

现实上，在选择育种时代里，研究者已经将作物性状和基因联系到了一起，其中最耀眼的发现就是诺贝尔奖得主McClintock在玉米上发现的基因转座征象，在DNA结构未被完全破解的条件下，这无疑是个跨时代的发现(Feschotte, 2023)。基因转座征象，简朴地说就是在基因水平上举行的类似“Ctrl C + V”的行为，基因上的某一段基因，我们通常称之为转座子(Transposons)，可以将自shen复制到基因组的其他地方。可是在很长的时间里，基因的物理意义没有明确，人们使用基因举行育种可以说是瞽者摸象了。当1953年，DNA结构被完全解开，生物的世纪也悄然而至，分子生物学的生长也让育种的研究享受到了时代盈利，揭开了基因控制生物性状的神秘(Antoshechkin, Bass, Il'ina, & Frank-Kamenetskii, 1966)。同时，转基因手艺也开shi普遍应用于育种领域，使得育种变得越发高效。科学家能够通过转基因手艺和基因编辑等手段，快速改良作物性状，培育出知足特定需求的新品种。生物的基因是由ATCG四种碱基通过排列组合形成。基因则是生物的遗传信息，很洪流平上控制着生物的性状（如玉米的株型、番茄果实的巨细等）。作物基因编辑则是通过改变碱基的排列，从而影响植物的性状，使其获得较高的经济价值。分子育种允许育种者凭证特定的育种目的来选择具有理想遗传组成的品种。这种要领可以用来改良作物的产量、品质、抗病性等主要性状。对于植物以致生物来说，有时改变一个碱基可能植物的性状就发生了天翻地覆的改变。因此，基因的精准编辑是无数育种科学家求之不得的追求，这时代降生了许多诸如ZFENs、TALEN等基因编辑手艺 (Bedell et al., 2012; Gupta et al., 2012)，但因其脱靶率高、编辑效果差、编辑步骤繁琐等弱点，没有在育种领域鼎力大举推广，更多的照旧以n植凇钡姆肿颖曛臼忠崭ㄖ挠。上天似乎有意无意地部署了这ci历史前进，CRIPSR-Cas9基因编辑手艺横空出世 (Shan et al., 2013)，大大提高了基因编辑的准确性和准确性，gai手艺也毫无疑问地迅速取代之前的手艺，实现了一ci飞跃性的育种革命。我国的高彩霞先生就是天下作物编辑育种的领武士物，前沿的研究使得我国在育种领域走得超前，走得扎实。

育种4.0时代：设计育种

这一阶段，人们已经不知足于对于特定性状的定点刷新，科学家们开shi着眼于作物系统育种，他们基于基因？榧捌浞窍咝择詈侠砺，jie助盘算生物学和人工智能的工具，设计出理想的品种。这不仅大大缩短了育种周期，也提高了育种效率。我以为其中最有趣的就是李家洋先生在2021年与多方相助提出了重新驯化野生异源四倍体水稻战略。他们将gai战略分为四步：第一步，选择重新驯化合适的亲本质料；第二步，搭建包罗参考基因组、基因功效注释、转基因及基因编辑系统在内的手艺系统；第三步，设计和快速基因组编辑，通过多基因组编辑引入驯化相关基因或等位基因；第四步，新品种推广，包罗对经由基因编辑的水稻品种举行区试、品试，以及新作物的认证和普及推广 (Yu et al., 2021)。这种n蟮乐良颉笔降挠忠煳抟墒嵌陨杓朴肿詈玫牟。

图4 重新驯化异源四倍体水稻蹊径图 (Yu et al., 2021)

据统计，全天下现在有凌驾1750个基因库，包罗70万份种质种质，包罗莳植品种、地方品种和野生近缘种，这些资源的潜力在很洪流平上仍未获得开发。在云云重大的资源中，人工挖掘就如大海捞针，低效且高价钱。与传统要领相比，人工智能 (Artificial Intelligence，AI)，这个以大数据剖析和模式识别方面的实力而著名的手艺，可以从高通量组学数据、种质数据中提取更有用、更准确的特征，现在彻底改变了作物育种。当下，AI已被有用地用于展望母代和亲本玉米植株的基因组杂交，从而有助于识别突变率较高的基因组区域 (Farooq et al., 2024)。此外，基于玉米植株在胁迫下生长的DNA甲基化模式，研究人yuan使用人工智能要领来识别和表征基因组区域，从而区分功效基因和假基因 (Farooq et al., 2024)。AI的助力不仅在于对于已有数据的挖掘整理，更在于它可以自我学习，具有缔造潜力。克日，中国农业大学农学院的汪海先生团队就使用17个植物物种的60万个基因以及6256套转录组数据，开发出了PhytoExpr的模子，对于刷新作物自然启动子糰n油飞杓菩碌牡骺匾蜃犹峁┝宋尴蘅赡苄 (Li et al., 2024)。小我私人以为，2024年获得诺贝尔化学奖的重新设计卵白手艺 (De novo protein design)，未来在新型设计育种中也有辽阔的应用远景 (Kortemme, 2024)。

图5 PhytoExpr模子架构(Li et al., 2024)

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基础研究的集大成

信托不少植物领域的研究者们无论是在撰写论文照旧申请基金写本子的时间，研究意义的最后总会加上一句“为培育新品种提供优质的候选基因”诸云云类的话。这无疑是育种的价值所在。笔者以为，当下的科学研究可以分两类，一类是兴趣导向的自由探索式研究；另一类则是需求导向的提本zeng效式研究。目莂n蠖嗍芯靠赡芄槔嘤诤笳，植物领域也不破例，这也恰恰极大地推动了人们对植物以致自然的熟悉。在现实生产历程中，包罗白菜等十字花科植物、土豆等茄科作物在内的许多植物具有显着的远缘杂交障碍的征象，使得其杂交育种很难举行，上个世纪，研究人yuan巧妙地使用了花粉蒙导效应 (Pollen Mentor Effect)，解决了远缘杂交育种难的问题。先进在实践中所发现的征象背后的神秘，直到2023年才被瞿礼嘉先生团队揭开 (Lan et al., 2023)。

图6 被子植物花粉蒙导效应的分子机制 (Lan et al., 2023)

同时，育种还推动了人们自然追溯历史的好奇心，促进了物种演化的研究。番茄是天下上漫衍最广的蔬菜作物之一，具有主要的经济价值。它不仅是主要的食物泉源，也是植物和肉质果实生物学研究的模子系统。黄三文先生团队剖析了360份差异品种的番茄基因组。通过重测序，发生了大量序列数据，识别出凌驾1100万个单核苷酸多态性 (Single Nucleotide Polymorphisms，SNPs)和130万个小的插入/缺失（Insertion-Deletions，InDels），展现了番茄育种历史上的两个自力阶段：驯化和改良。驯化阶段主要集中在提高果实大。牧冀锥卧蚪徊絲eng大了果实并引入了其他农艺性状 (Lin et al., 2014)。此外，育种的需求还变相推动了生态学、园艺学、土壤学、病理学等各个学科分支的生长，可以说育种是一门蕴含科学之美的综合科学。

图7 番茄的演化路径 (Lin et al., 2014)

实践中的艺术性

若是把原shi质料比作画纸的话，育种家们则是站在画纸前的画家，基因则是他们的调色盘，最后的效果（也就是品种）全靠育种家掌握。育种家们似乎对自然敏感的人，对于天气、土地有着异于凡人的判断力。制订育种目的时，他们充满想象力，田间育种时，他们是挥斥方遒的将军。在育种历程中，许多优质目的可能是互斥的，若是想要酸甜适口的番茄，就必须要牺牲其决议耐贮性的硬度。育种家对于品种性状分配的掌握，wangwang最后决议了gai品种的推广度，而这种掌握，可能有种“只可意会不行言传”的美感。笔者在育种课的时间有一种深刻的感受，这些shen处育种一线的先生几多是带点理想主义在shen上的，他们会痛斥那些疏散品种而育成“新”品种的征象，也会回忆起自己挥汗田间的绚烂岁月，他们可是手握多个优质品种的大牛先生啊。更有夸张的说法，光是去浏览和品尝某个品种的作物，履历老道的专家可能就能立马分辨gai品种出自哪位育种家之手。可能对于老黎民来说，他们品尝的是优质的蔬菜，但对于行内的育种家来说，他们则是在浏览一件艺术品。可以说，育种是尽显实践中科学艺术的平台。

人与自然的博弈

植物在履历亿万年的自然演化后，已经形成了重大的基因以及与情形互作的分子网络。曾经有学者将现在最细密的盘算机和人脑做较量，发现人膟uan忍煜律纤信趟慊荚椒⒅卮笤椒⒆既，私以为植物演化也有云云细密的排布。植物作为一个生物系统，在选育性状的历程中，需要审慎以致详尽的“排兵布阵”马铃薯作为主要的粮食作物，传统莳植的马铃薯是同源四倍体，基因组重大，育种历程缓慢，且主要通过薯块滋生，存在滋生系数低、储运成本高、易携带病虫害等问题。原有绝大部门的二倍体马铃薯自花授粉后不能发天生熟的种子，同时，传统育种历程中积累的有害基因突变，会造成马铃薯滋生力和产量下降，即自交衰退。黄三文先生团队就此提出“优薯妄想”，旨在用二倍体马铃薯替换四倍体、用基因组学和合成生物学指导马铃薯育种在探索的历程中，他们已经乐成培育出了第一代高纯合度（>99%）的二倍体马铃薯自交系和杂交马铃薯品系“优薯1号”。试验显示“优薯1号”的产量靠近3吨/亩，具有显著的产量杂种优势，同时还具有高干物质含量和高类胡萝卜素含量的特点，蒸煮品謘hi(Zhang et al., 2021)。这无疑打破了二倍体马铃薯无法育种的“自然纪律”。二倍体马铃薯育种也意味着可以挣脱原有的薯块育种，转而越发轻盈的种子育种。种子在运输历程中，及其轻盈且不易变质，此外，种子育种可以大幅度缩短马铃薯的育种周期，从原有的10~13年缩短到3~5年，或将引起一轮马铃薯的“绿色革命”。这其中尽显不甘通俗的人性之美。可以说，育种是人类与大自然的抗争，以弱小搏击巨浪的征途。

图8 马铃薯薯块与种子较量图 (图源网络)

总结

传统的农业“靠天用饭”，人类在大自然的庇佑下生涯繁衍，而现在随着以育种为目的的基础研究的壮大，传统农业的势态也逐渐已往，转而越发细密可控、越发有秩序的农颐魅正在崛起。应对极端天气情形，育种手艺能够培育出高产、耐旱、耐盐碱、抗病虫害的作物品种。这些品种能够在资源有限的条件下实现更高的产量，镌汰对化肥和农药的依赖，降低农业生产的情形负荷，从而推动农业可一连生长。育种使得“将饭碗端在自己的手中”不再是空话，更是全人类一块一块砖垒起的高塔。

在这篇历经万万年的乐曲中，我们不仅见证了科技的实力，更感受到了人性的绚烂。育种，这门古老而又年轻的艺术，将继续在人类文明的长河中流淌，一直演绎着生命的事业。在未来的篇章里，愿我们能以越发綾i返男奶，看待每一粒种子，每一片土地，配合守护这份来自尊自然的名贵馈赠。

后记

gai文章的因由是“新生园艺专业先容”的结课论文。

作为大四即将结业的学生，我第一ci走进“新生园艺专业先容”的课堂，似乎在短时间里浏览了四年本科生涯的学习画卷，从大一的数理化基础课，到大三的专业必修课，园艺专业一步一步地将我领入了生命科学的殿堂。私以为，在本科繁杂死板的课程中，唯有园艺作物育种给我带来了不小的震撼。在这门课中，shen处科研一线的先生们带我明确了老一辈育种家们扎实求真的理想主义，也带我初探了现代设计育种的魅力。在育种这门课中，我似乎窥见了整个大农学育种以致生命演化的绚烂画卷。

致谢

谢谢中国农业大学农学院闫军先生对gai文章的总体指导，闫先生一针见血的点评让我学习到了许多文章写作的技巧和要领。谢谢中国农业大学农学院王向峰先生的资助，给我推荐了闫兵先生。谢谢四川农业大学的赵傲雪同砚对gai文章细节的修改。同时，谢谢园艺作物育种学的授课先生们，他们划分是沈火林先生、孙亮先生、杨文才先生和程青先生，是你们让我明确到了育种的艺术。

参考文献

1. J. Doebley, The genetics of maize evolution. Annu Rev Genet 38, 37-59 (2004).

2. J. G. Wallace, E. Rodgers-Melnick, E. S. Buckler, On the Road to Breeding 4.0: Unraveling the Good, the Bad, and the Boring of Crop Quantitative Genomics. Annu Rev Genet 52, 421-444 (2018).

3. J. F. Doebley, B. S. Gaut, B. D. Smith, The molecular genetics of crop domestication. Cell 127, 1309-1321 (2006).

4. A. Sohail, C. Lu, P. Xu, Genetic and molecular mechanisms underlying the male sterility in rice. J Appl Genet, (2024).

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