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作物设计育种：精准塑造农业未来的关键力量

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2025-10-22

在农业发展的漫长征程中，作物育种始终是推动产业进步、保障粮食安全的核心驱动力。作物设计育种作为当代育种领域的前沿方向，正以其科学、精准、高效的特性，引领农业育种迈向新的发展阶段，为解决全球农业面临的诸多挑战提供了创新思路与有效途径。

作物设计育种：精准塑造农业未来的关键力量

溯源发展：从传统到智能的演进脉络
作物设计育种并非凭空出现，而是有着深厚的历史积淀与清晰的演进逻辑。回溯古代，“驯化育种”便已开启人类对作物改良的探索，我国古代农民在农业生产中通过选择优良单株、单穗和混收留种的方法，积累了丰富的育种经验。科学育种思想随着达尔文进化论和孟德尔遗传规律的提出而萌芽，此后染色体和基因概念的确定，为作物育种发展筑牢了理论根基。
20世纪以来，作物育种技术取得了巨大飞跃。以杂交育种为核心的常规育种技术体系逐步完善，1970年袁隆平院士团队实现杂交水稻三系配套，大幅提升了水稻产量。80年代后，分子生物技术迅猛发展，分子标记辅助选择技术应用于作物育种，提高了育种效率。进入21世纪，基因组学、分子遗传学及计算生物学等学科的快速发展，推动现代农业向智能化设计育种转型。从基于表型的选择，到基于基因组或基因水平的设计，作物育种经历了从经验驱动到科学引领的深刻变革。
核心内涵：多学科融合的创新体系
作物设计育种是一项以遗传学为基础，融合生物技术、作物栽培与耕作学、信息技术，并涉及材料学和机械工程等多学科的复杂技术体系。其核心目标是在不同环境下，聚合有利等位基因，克服同时空表达可能出现的问题，选育出满足多样化需求的品种。
这一过程中，新型创制或改变种质的技术发挥着关键作用。例如，TILLING、CRISPR或NSDS等基因编辑技术，能够精准地对作物基因进行修改，为培育具有特定优良性状的品种提供了强大工具。全基因组鉴定技术通过全基因组测序结合RNA - seq和ChIP - seq技术等，可快速筛选出优良种质，大大提高了育种材料选择的效率。高精度分子标记育种则进一步缩短了育种时间和过程，使育种工作更加精准可控。高通量表型组鉴定及大数据分析技术的应用，能够对作物的表型特征进行全面、深入的测量和分析，为育种决策提供丰富的数据支持。
发展协同：新技术、常规育种与商业化的融合共进
作物设计育种的发展离不开新技术、常规育种和商业化推广三者的协同作用。新技术是推动作物设计育种前进的核心动力。以基因编辑技术为例，美国杜邦先锋公司基于转基因技术实现的种子生产技术（SPT），以及我国在水稻上应用的“智能不育杂交育种技术”或“第三代杂交水稻技术”，都展示了新技术在颠覆传统育种理念、拓展育种可能性方面的巨大潜力。随着智能计算、软件开发所需的计算机科学，开展分子试验所需的化学和材料学，以及部分性状鉴定所需的光学和机械工程等学科的发展，作物设计育种将迎来更多创新突破。
常规育种则为作物设计育种提供了坚实的基础和宝贵的资源。田间的性状观察和农艺性状鉴定是品种选育的关键环节，常规育种过程中积累的丰富经验和对表型的深入了解，是开展作物设计育种不可或缺的宝贵财富。国际种业巨头在全球大量布局试验站，始终将常规育种作为企业发展的核心部门，这充分说明了常规育种在作物设计育种体系中的重要地位。
商业化推广是作物设计育种实现价值的关键环节。作物种子的杂交化和转基因技术的应用是育种商业化的标志性事件。设计育种作为新型交叉学科，极有可能形成未来新的种业商业模式。我国种业企业需要与科研单位形成合力，在智能设计育种数据的积累、挖掘和算法开发方面完善创新和应用体系，以商业化思维统筹常规育种和作物设计育种，深入了解市场需求，提升育种效率，促进作物设计育种的可持续发展。
百奥云可为客户提供全套的GS方案。
GS利用覆盖全基因组的高密度SNP标记，结合表型记录或系谱记录对个体育种值进行估计，其假定这些标记中至少有一个标记与所有控制性状的QTL处于连锁不平衡（linkage disequilibrium, LD）状态，这样使得每个QTL的效应都可以通过SNP得到反映，将所有标记效应值累加，获得基因组估计育种值。
GS流程包含两个群体，一个是训练群体（又称参考群体），需要同时具有表型和基因型信息，估计标记效应值来构建参考模型；另一个是预测群体（又称候选群体或育种群体），只需要基因型信息，通过构建的参考模型得到估计育种值，从而达到预测表型，进行个体选择的目的。
挑战与展望：突破瓶颈，迈向未来
我国作物设计育种发展既面临着机遇，也面临着诸多挑战。在新技术领域，尤其是底层技术的突破方面，还存在较大提升空间。在遗传学领域，对作物重要性状在基因组、蛋白组、代谢组等多组学层次上的调控、互作机制及其与环境互作复杂性的系统剖析仍不够深入，仅基因层面的聚合难以真正实现作物设计育种的全面实践。此外，机制创新方面，需要进一步打破各学科、各单位、各团队间的机制束缚，加强与常规育种的紧密合作，促进新技术在育种实践中的有效应用。在商业化思维方面，我国种业企业整体实力与国际相关公司相比仍有差距，需要加强企业创新主体地位，通过科企合作实现作物设计育种的商业化发展。
随着现代生命科学的快速发展以及生物技术与信息、材料、新能源等技术的加速融合，作物设计育种将迎来更加广阔的发展前景。未来作物设计育种将统筹原有的杂交、诱变、分子标记辅助选择等技术，融合高通量测序、基因编辑等手段，借助计算机模拟育种体系和新型机械装备，实现“品种定制”的目标。随着合成生物学、人工智能等未来学科的发展，作物设计育种也将不断突破创新，为实现我国种业快速发展、保障全球粮食安全作出更大贡献。

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