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        “從一粒粟”到“萬顆籽”,育種進入5G時代


        “春種一粒粟,秋收萬顆子”。泱泱中華幾千年的文明史,貫穿其中不可缺少的就是“農業文明”,然而,受限于落后的技術、貧瘠的土地和無情的天災,從古至今,農作物生長往往呈現出不確定性,收成相對較低。

        從“一粒粟”到“萬顆子”,如何做到“稻花香里說豐年”,這些對于古人來說是美好的幻想,隨著作物育種技術的快速發展,古人的夢想逐步照進現實。

        隨著農作物基因組、表型組、代謝組等數據的爆發式增長,再加上不斷涌現的計算、物聯等新技術作為動力,作物育種技術正加速進入“育種 4.0 時代”——“生物技術 + 人工智能 + 大數據”的智能計算育種時代。

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        育種體系的5個階段

        1、作物馴化技術

        對作物進行馴化大約從1萬年前開始,早期的農民并不懂得遺傳多樣性的理論,但是已經開始有意識或無意識地在利用其價值對植物進行偶然的選擇,他們會選擇在產量或其他性狀表現好的單株作為下一季栽培的種子,并不斷地繁殖下去。?

        ?在作物馴化階段,世界范圍內主要種植了約7000種作物,為現代栽培品種的培育奠定了遺傳資源基礎,但是這一時期主要通過耕作者對自然變異的肉眼觀察做出主觀判斷,作物改良的進展非常緩慢。

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        2、雜交育種

        雜交育種始于19世紀中后期,以1865年為起點,孟德爾在發現了植物遺傳定律后,數量遺傳學理論被建立起來,育種家和專業的科學家通過人工雜交的手段,有目的地在選配不同的親本進行雜交、自交、回交等,結合雙親的優良性狀培育改良作物品種。?

        這一階段主要利用了經典遺傳理論、統計學和田間試驗設計等理論和手段,具有一定的預見性,但是偶然性大,育種效率低。

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        3、傳統育種

        這一時期的育種包括雜種優勢育種及主動誘變育種。以1926年先鋒公司雜交玉米種為標志,玉米雜種優勢和雙雜交種在商業化上應用突出的表現帶動了雜種優勢在水稻、高粱、油菜、棉花等其他作物上的運用。1940年,物理、化學或太空誘變等手段在作物育種上開始應用。?

        雜交育種、雜種優勢育種及主動誘變育種這3種相繼出現的育種技術可被統一歸納為傳統育種,這些育種手段在過去近100年的時間里極大地提高了作物產量,緩解了“人口爆炸”帶來的糧食緊缺問題。

        但此階段仍依賴于育種家的經驗來選擇好的表型育種材料,且由于傳統育種對于復雜性狀的選擇有限,因此難以兼顧產量、品質及生物脅迫和非生物脅迫的抗耐性。目前,世界上大多數育種項目仍處在傳統育種階段,正在向下一階段過渡

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        4、分子技術育種

        自20世紀80年代開始,以轉基因、分子標記輔助選擇、全基因組選擇、等位基因挖掘等為代表的現代分子技術手段開始在作物育種上運用。

        1983年第1例轉基因植物開始,轉基因已經發展成最快、應用效率最高的精準育種技術之一。在北美地區,90%以上的玉米、大豆、棉花、甜菜和油菜是轉基因品種。分子標記輔助選擇是20世紀80年代興起的DNA標記技術:利用與目標基因緊密連鎖或表現共分離的分子標記對選擇個體進行篩選,從而減少連鎖累贅,獲得目標個體。全基因組選擇是近年來動、植物分子育種的全新策略,已成為分子技術育種熱點和趨勢。其采用覆蓋整個基因組的分子標記來捕獲整個基因組上的變異并對育種值進行有效預測。?

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        分子技術育種是對傳統育種理論和技術的重大突破。目前,各國對QTL、MAS、GS和基因定位等精準育種的理論和試驗研究很多,但在實際育種中應用十分有限,僅有拜耳-孟山都和科迪華等跨國種業巨頭的主要作物育種真正處在分子技術育種(4G)階段。


        5、智能育種

        智能育種(Smart breeding)技術體系:利用農作物基因型、表型、環境、遺傳資源(例如水稻上的品種系譜信息)等大數據為核心基礎,通過人工生物智能技術,在實驗室設計培育出一種適合于特定地理區域和環境下的品系品種。而傳統上的大田僅僅作為品種測試和驗證的場所。從而節省了大量的人力、物力、財力、環境壓力等資源。

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        由傳統育種到分子育種,再到智能育種,育種的“科學”成分含量越來越多,目前我國大部分作物育種仍然處在傳統育種(2G和3G)階段,僅少部分作物已經處于傳統育種(3G)向分子技術育種(4G)的轉變階段,而世界種業巨頭憑借著雄厚的資本、先進的技術基礎等優勢,已加速朝智能育種(5G)階段邁進。必須緊抓全球新一輪科技革命和產業革命迭代的機遇,整合和引導科技資源及人才向育種5G技術靠攏,加快原始創新,搶占種業技術制高點,確保我國種業具有持續競爭力,保障我國糧食安全、食品安全和生態安全。


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