淺談農(nóng)作物育種的基本要點(diǎn)

劉定富 趙健 應(yīng)繼鋒

（1 武漢金玉良種科技有限公司，武漢430064；2 華智生物國家分子育種中心，長沙410125；3 中國水稻研究所，杭州310006；第一作者：13707173035@126.com；*通訊作者：yingjifeng@caas.cn）

國以農(nóng)為本，農(nóng)以種為先。種子產(chǎn)業(yè)被國家確定為戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性核心產(chǎn)業(yè)。農(nóng)作物品種是農(nóng)業(yè)的“芯片”，是作物技術(shù)的重要載體。作物育種技術(shù)的進(jìn)步為糧食產(chǎn)量的增加做出了重要貢獻(xiàn)。在分析了百年作物產(chǎn)量的趨勢后，TOLLENAAR 等[1]總結(jié)出北美地區(qū)的玉米產(chǎn)量的提高有50%來自品種的改良。國際水稻研究所在初步分析了綠色革命以來的東南亞水稻產(chǎn)量的提高，差不多也有30%～50%來自品種的改良。可見，作物育種是解決世界農(nóng)業(yè)困局和保障世界糧食安全的核心關(guān)鍵，對于農(nóng)業(yè)非常重要[2]。本文主要介紹了作物育種技術(shù)體系中的幾個(gè)基本要點(diǎn)，與種業(yè)行業(yè)界同仁交流。

1 明確一個(gè)目標(biāo)

從遺傳學(xué)理論上說，育種就是聚集控制目標(biāo)性狀的基因座位（loci）上的有利基因型或有利基因型的聚合。育種不僅僅是聚集控制目標(biāo)性狀的基因座位上的顯性基因，因?yàn)橛械幕蜃系娘@性基因不是有利基因，有的基因座上還有復(fù)等位基因，所以“育種不是簡單的聚合顯性基因”。育種也不僅僅是聚集控制目標(biāo)性狀的基因座位上的有利基因，因?yàn)榈任换蛑g有互作，基因座位之間也有互作，孤立地看待基因座位上的基因或基因型都是不全面的[3]。因此，“育種”最準(zhǔn)確的表達(dá)是“聚集控制目標(biāo)性狀的基因座位上的有利基因型或有利基因型的集合”。

所以，就單個(gè)基因座位而言，AA、AA'、A'a、Aa 和aa 都可以是有利基因型（A 代表顯性基因，a 代表隱性基因，A' 代表復(fù)等位基因）；就兩個(gè)基因座位而言，AABB、AABb、AAbb、AaBB、AaBb、Aabb、aaBB、aaBb、aabb都可以是有利基因型，這里沒有考慮復(fù)等位基因。至于哪個(gè)基因型是最有利的基因型，那就取決于育種的遺傳基礎(chǔ)研究的深度。

所以確定育種目標(biāo)是育種工作的第一要?jiǎng)?wù)，沒有確定的目標(biāo)，一定是碰機(jī)遇或者一事無成。傳統(tǒng)的育種，是通過表現(xiàn)型來選擇、推測基因型；現(xiàn)在的“分子設(shè)計(jì)育種”，或者“分子模塊育種”，就是從基因型入手，先選擇基因型，再來鑒定是不是所期望的表現(xiàn)型。傳統(tǒng)育種與分子設(shè)計(jì)育種二者的目標(biāo)都是一致的，都是在聚集目標(biāo)性狀的有利基因型或基因型集合[3]。

2 選擇兩個(gè)親本

雜交育種和雜種優(yōu)勢利用，都需要兩個(gè)親本。轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯育種需要一個(gè)受體親本和一個(gè)或幾個(gè)目標(biāo)基因。無論是兩個(gè)親本，還是一個(gè)親本和一個(gè)或幾個(gè)目標(biāo)基因，二者的基因都必須互補(bǔ)，合起來具備育種目標(biāo)性狀基因座位上的有利等位基因或有利基因型。雙親沒有控制目標(biāo)性狀的有利基因，育種目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)不了，說明了親本選擇至關(guān)重要。親本和基因，涉及種質(zhì)資源的創(chuàng)制和研究，這是育種的基礎(chǔ)工作。沒有新的有利基因或者基因組合的利用，育種不可能有實(shí)質(zhì)性突破。劃時(shí)代的矮稈水稻、雜交水稻品種汕優(yōu)63及玉米品種鄭單958 等，均已證明了優(yōu)良親本的重要性。歸根到底，還是種質(zhì)資源創(chuàng)制的突破。現(xiàn)在，“基因編輯”技術(shù)廣泛應(yīng)用，但是成功運(yùn)用于農(nóng)作物育種的前提還取決于對目標(biāo)基因的了解，取決于背景基因型的優(yōu)化和完善。

3 運(yùn)用三類技術(shù)

作物育種既是技術(shù)，又是藝術(shù)。有的育種家一生也不能培育出一個(gè)有商業(yè)化意義的好品種。我們梳理了一下作物育種的主要技術(shù)，不外乎以下三類，即創(chuàng)造變異的技術(shù)、穩(wěn)定或固定有利變異的技術(shù)、選擇變異的技術(shù)。

3.1 創(chuàng)造變異的技術(shù)

創(chuàng)造變異的方法或技術(shù)主要有：自然變異、雜交和基因重組、輪回群體自然異交（包括基因重組）、人工誘變、倍性育種、雜交獲得雜合性或者獲得多倍性、轉(zhuǎn)基因、基因編輯等等。

3.2 穩(wěn)定或固定變異的技術(shù)

穩(wěn)定或固定變異的方法或技術(shù)主要有：自交、姊妹交、回交、DH、小孢子或花藥培養(yǎng)、無性繁殖、染色體加倍、F1雜交種生產(chǎn)等等。

3.3 選擇變異的技術(shù)

選擇變異的方法或技術(shù)主要有：自然選擇、系譜選擇、混合選擇、接種選擇、脅迫選擇、輪回選擇、指數(shù)選擇、分子標(biāo)記選擇、基因組選擇等等。

因此，作物育種的主要工作就是三件事：創(chuàng)造變異、固定或穩(wěn)定有利變異、選擇有利變異。育種家工作的水平和效率，就在于能否創(chuàng)造出所期望的有利變異、能否固定或穩(wěn)定所期望的有利變異、能否選擇出所期望的有利變異。

4 掌握四門理論

理論指導(dǎo)實(shí)踐。作物育種是一門應(yīng)用科學(xué)，應(yīng)用科學(xué)必有理論基礎(chǔ)支撐。作物育種的主要基礎(chǔ)理論包括經(jīng)典遺傳學(xué)、分子遺傳學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)為核心課程的四門理論。

5 做好五級測試

確定了育種目標(biāo)，選好了親本，掌握了理論，運(yùn)用了創(chuàng)造、固定或穩(wěn)定、選擇變異的技術(shù)，所獲得的基因型是否是所期望的有利基因型或有利基因型集合，絕大多數(shù)情況特別是產(chǎn)量之類的復(fù)雜性狀必須通過鑒定或測試方能知道，所選的后代或組合才能稱為品種，才能推廣應(yīng)用。育種所需進(jìn)行的鑒定和測試包括：初級鑒定、再次鑒定、多點(diǎn)測試、區(qū)域試驗(yàn)、生態(tài)或適應(yīng)性測試。

1）初次鑒定：評估育種目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2）再次鑒定：觀察目標(biāo)性狀能否穩(wěn)定出現(xiàn)。

3）多點(diǎn)測試：評估多種環(huán)境下測試目標(biāo)性狀的穩(wěn)定性。

4）區(qū)域試驗(yàn)：參加區(qū)域試驗(yàn)，更大范圍的接受測試和比較，完成品種審定。

5）生態(tài)或適應(yīng)性測試：品種審定后，還要進(jìn)行生態(tài)或適應(yīng)性測試，觀察品種的適應(yīng)性，找到品種的最佳適應(yīng)推廣區(qū)域或關(guān)鍵種植技術(shù)。

只有經(jīng)過了這五級測試的品種，才可以比較有把握地在適應(yīng)區(qū)域加以推廣。所以，育種是一件“過五關(guān)、斬六將”的挑戰(zhàn)！

6 熟悉六大方法

作物育種基本依靠三類技術(shù)，即創(chuàng)造變異的技術(shù)、穩(wěn)定或固定有利變異的技術(shù)、選擇有利變異的技術(shù)。在這三類技術(shù)中，最最關(guān)鍵的是創(chuàng)造變異的技術(shù)，可以說沒有變異便沒有育種。根據(jù)變異來源或者創(chuàng)造方法不同，迄今為止已經(jīng)形成了六大主要育種方法[4]。

6.1 系統(tǒng)育種

系統(tǒng)育種主要基于自然變異，因而出現(xiàn)概率低，發(fā)現(xiàn)難度大，現(xiàn)已不是重要的育種方法了。

6.2 誘變育種

人們期望通過外力增加出現(xiàn)變異的頻率，但變異的方向難以控制，不利變異較多。

6.3 雜交育種

通過兩個(gè)親本的有性雜交，經(jīng)過基因重組交換，結(jié)合雙親的有利性狀。

6.4 雜交種育種

通過兩個(gè)親本的雜交，利用F1代的雜種優(yōu)勢。

6.5 倍性育種

通過不同倍性的親本雜交，利用F1代雜種優(yōu)勢，如三倍體西瓜；通過兩個(gè)具同源染色體組或不同源染色體組的親本雜交、染色體加倍獲得同源四倍體或異源多倍體，利用染色體組的多倍體優(yōu)勢，如小黑麥、四倍體水稻、多倍體草莓等。

6.6 轉(zhuǎn)基因育種

通過遺傳操作技術(shù)，將外源基因引入優(yōu)良品種中，獲得本物種沒有的新變異。

以上是現(xiàn)代作物育種最常用的六大育種方法，也是六大創(chuàng)造變異的方法。未來創(chuàng)造遺傳變異的方法可能新增“基因編輯技術(shù)”，基因編輯育種方法指日可待。

7 了解七段歷史

國際種子聯(lián)盟秘書長邁克爾·凱勒2017 年在《亞洲種子》雜志上提出的“作物育種創(chuàng)新”討論，總結(jié)了作物育種的里程碑事件[5]。1 年以后，美國康奈爾大學(xué)玉米遺傳育種學(xué)家、美國科學(xué)院院士BUCKLER 教授，在2018 年初提出了“育種4.0”的理念，即作物育種技術(shù)的發(fā)展伴隨人類社會(huì)的進(jìn)步已經(jīng)歷了 3 個(gè)標(biāo)志性階段，目前正跨入第4 個(gè)階段（如表2）。美國科學(xué)院院士、北京大學(xué)教授鄧興旺2018 年在不同的研討會(huì)上也討論了作物育種史（表3）。作者在2018 年發(fā)表《揭秘水稻育種發(fā)展的“基因”（5）——結(jié)束語》中，也談及育種過程歷史，主要觀點(diǎn)如表4。

因此，植物育種歷史說明，育種工作者必須了解系統(tǒng)育種、誘變育種、雜交育種、倍性育種、雜交種育種、轉(zhuǎn)基因育種、基因編輯育種等七段育種歷史，并懂得育種技術(shù)、育種階段、育種產(chǎn)品等之間的關(guān)系和聯(lián)系[5]。各個(gè)因子的關(guān)系總結(jié)如圖1。了解圖1 中的育種主要技術(shù)、方法及之間的關(guān)系，對指導(dǎo)育種實(shí)踐有非常重大的作用。

表1 植物育種里程碑事件

表 2 作物育種 1.0～4.0（Edwards Buckler，2018）

表3 作物育種史

表4 作物育種時(shí)代

作物育種史是一個(gè)大命題，要闡述清楚并不容易。我們認(rèn)為“作物育種經(jīng)歷了3 次革命，現(xiàn)在正在進(jìn)入第4 次革命”的觀點(diǎn)。簡單地說，這4 次革命可稱之為雜交育種、雜交種育種（雜種優(yōu)勢利用）、轉(zhuǎn)基因育種、基因型設(shè)計(jì)育種（關(guān)于設(shè)計(jì)育種，有N 多種提法，比如分子設(shè)計(jì)育種、基因組設(shè)計(jì)育種等，作者傾向稱“基因型設(shè)計(jì)育種”，另文討論）。加上最早期的系統(tǒng)育種，作物育種正進(jìn)入5.0 時(shí)代[5]！

作物育種5.0 的觀點(diǎn)實(shí)質(zhì)上就是把BUCKLER 的育種2.0 分成了雜交育種（cross breeding）和雜交種育種（hybrid breeding）兩個(gè)階段。BUCKLER 就玉米育種提出“育種4.0”是完全可以理解的，因?yàn)橛衩资钱惢ㄊ诜圩魑铮s交育種培育的只是自交系而不是生產(chǎn)上應(yīng)用的“品種”。

圖1 植物育種方法和相關(guān)技術(shù)及其之間的關(guān)系（劉定富，2019）

作物育種5.0 的觀點(diǎn)，是針對作物育種而言的，不是說每個(gè)作物都經(jīng)歷了這些階段，比如大豆、小麥等就沒有經(jīng)歷雜交種育種，水稻、小麥還沒有經(jīng)歷轉(zhuǎn)基因育種。

8 結(jié)語

本文討論了作物育種的“一個(gè)目標(biāo)、兩個(gè)親本、三類技術(shù)、四門理論、五級測試、六大方法、七段歷史”，我們認(rèn)為這可以算作“作物育種學(xué)”的一個(gè)綱要。掌握了以上關(guān)于作物育種的“一二三四五六七”，做好育種就有了理論基礎(chǔ)和一個(gè)清晰的思路！理論和思路尤為重要，理論是實(shí)踐的基礎(chǔ)，思路決定出路，正確的思路才會(huì)有正確的出路！作物育種實(shí)質(zhì)上就是在理論的指導(dǎo)下將“思路”變成“出路”的過程。