編輯 | 新銳恒豐研究院
來源 | 南北學(xué)院、百奧云
作者 | 王向峰、張紅偉
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這就叫愛出者愛返，福往者福來。讓我們一起轉(zhuǎn)起善緣！贈(zèng)人玫瑰，手有余香！
作者簡(jiǎn)介：王向峰，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)作物基因組與生物信息學(xué)系教授，國家玉米改良中心研究員。本文是王教授在南北學(xué)院微信區(qū)發(fā)表的觀點(diǎn)及張紅偉老師的補(bǔ)充，內(nèi)容非常精彩，值得仔細(xì)品讀?；诂F(xiàn)有的生物技術(shù)和IT技術(shù)，才能使我國的育種實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，越到后來，越需要對(duì)育種分子本質(zhì)的理解！
育種是利用雜交重組對(duì)有利等位基因及遺傳變異進(jìn)行組合，產(chǎn)生以供人工選擇的目標(biāo)性狀。需要強(qiáng)調(diào)的是：“有利”與“有害”是相對(duì)是否有利于性狀的改進(jìn)目標(biāo)而定義的，兩者并非絕對(duì)的對(duì)立；相反“有利”與“有害”會(huì)根據(jù)群體、環(huán)境、性狀、發(fā)育時(shí)期的不同而轉(zhuǎn)換。在研究中，我們更傾向于用“強(qiáng)基因型”與“弱基因型”區(qū)分兩種類型的變異，以表示對(duì)性狀改良的貢獻(xiàn)強(qiáng)度。本文為了理解上的方便，延用“有利”和“有害”區(qū)分變異的種類。
普通農(nóng)藝性狀改良是“偶然性”遠(yuǎn)大于“必然性”的過程，基于以下五點(diǎn)原因：首先，有利變異往往是頻率較低的DNA突變，因此需要通過發(fā)展群體規(guī)模才能提高有利變異在群體中的頻率；其次，有利變異往往與有害變異連鎖，需要在群體規(guī)模足夠大、重組十分充份的條件下，才有可能篩選出與有害變異打破連鎖的有利變異；第三，數(shù)量性狀往往由多基因決定，聚合多個(gè)基因的多個(gè)低頻率有利變異組合所需的群體規(guī)模更是成指數(shù)性增長(zhǎng)；第四，目標(biāo)性狀的提升往往是作物整個(gè)發(fā)育過程中，各個(gè)發(fā)育時(shí)期分子調(diào)控模塊的協(xié)同作用的結(jié)果，篩選有利變異組合模塊的組合，則需要多次重復(fù)“建立群體、篩選材料”這一過程而實(shí)現(xiàn)；最后，雜種優(yōu)勢(shì)中“上位性抑制”遺傳效應(yīng)猶如“障眼法”，可導(dǎo)致有利變異組合的功能發(fā)揮受到負(fù)調(diào)控作用，有利表型難以表現(xiàn)，依靠肉眼觀察性狀則錯(cuò)失優(yōu)良材料。這還僅僅是針對(duì)產(chǎn)量、株型等普通農(nóng)藝性狀的改良，如若加上各種抗性的改良，不得不說育種的的確確是一個(gè)非常艱苦，花費(fèi)巨大，并且需要很強(qiáng)毅力的職業(yè)；同時(shí)，還要有上天眷顧的運(yùn)氣。
目前，國際種業(yè)向著“多技術(shù)融合型加速育種技術(shù)體系”的方向上發(fā)展。加速育種（AcceleratedBreeding）不是單指某一項(xiàng)育種技術(shù)，而是指多層面、跨學(xué)科的技術(shù)融合，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是育種體系的頂層設(shè)計(jì)，以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動(dòng)銜接各個(gè)育種環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)鏈條。這些技術(shù)涵蓋單倍體誘導(dǎo)、快速育種、人工氣候模擬器、全基因組選擇、分子標(biāo)記選擇、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)決策模型、圖形圖像表型組、轉(zhuǎn)基因、基因編輯、合成生物學(xué)等諸多方面。多技術(shù)的融合無非就是解決兩個(gè)方面的問題：第一，快速、低成本地創(chuàng)制自交系，擴(kuò)大群體以提高有利變異組合的頻率；第二，依靠基因型精準(zhǔn)、定向篩選攜帶有利變異組合的育種材料。但是，如果缺乏對(duì)育種理論、遺傳機(jī)制、基因功能的深入了解，僅依靠引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備的“拿來主義”，也是很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的工程化育種。與各位一線育種家“由外向內(nèi)”認(rèn)識(shí)育種規(guī)律不同，本人主要從事育種數(shù)據(jù)分析、育種模型構(gòu)建、基因資源挖掘等基礎(chǔ)性研究工作，對(duì)育種有一些“由內(nèi)向外”的粗淺認(rèn)識(shí)，希望能對(duì)各位育種家的具體工作有所啟示和幫助。
（張紅偉老師的補(bǔ)充：可能存在三種情況，一是模仿育種，比如定向改良先玉335的抗倒性，如果有對(duì)抗倒伏材料的篩選和遺傳和分子機(jī)制的了解，定向?qū)⒖沟狗w的抗倒伏基因?qū)氲较扔?/span>335的一個(gè)親本，從而利用分子育種技術(shù)快速地進(jìn)行改良。第二個(gè)種情況是，育種家一般手里都會(huì)有好幾個(gè)不錯(cuò)的tester，一般都是固定其中一個(gè)tester，來篩選與該tester配合最好的選材。創(chuàng)新性強(qiáng)的輪回選擇，需要利用大量的育種材料來組配方案，實(shí)際上就是預(yù)測(cè)那種基因型組合（a mosaic combinationof chromosome segment from many donors）跟這個(gè)材料配合最好，這個(gè)預(yù)測(cè)上很難，但是隨著預(yù)測(cè)技術(shù)和大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，以后會(huì)實(shí)現(xiàn)的。第三種情況是最難的創(chuàng)新，沒有固定的tester，就是要從一堆育種資源中篩選哪種基因型組合跟另一種基因型組合、組配最合適，這個(gè)是最難度大的。最后所有技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)就是F1的表現(xiàn)，根據(jù)推測(cè)出來的基因型組合，設(shè)計(jì)育種方案來達(dá)到或者無限接近獲得這種基因型組合的材料。）
李競(jìng)雄先生對(duì)玉米雜種優(yōu)勢(shì)育種最為精辟的總結(jié)是“難在選系,重在組配,中心是配合力問題。”本文結(jié)合我們?cè)谟衩子N理論研究中總結(jié)出來的一些規(guī)律性的東西，詮釋上述三點(diǎn)在分子層面的本質(zhì)，以及應(yīng)用什么樣的生物技術(shù)或決策模型加速育種進(jìn)度、縮短育種周期。
一、新型種質(zhì)資源的創(chuàng)制。我國育種領(lǐng)域面臨著遺傳范圍日趨狹窄的問題，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型優(yōu)異種質(zhì)是我國種業(yè)發(fā)展的瓶頸。將我國地域適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)異骨干材料與引進(jìn)種質(zhì)進(jìn)行融合，結(jié)合單倍體誘導(dǎo)與基因組優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是實(shí)現(xiàn)快速種質(zhì)資源創(chuàng)新的途徑。可以選擇10到20個(gè)來自國內(nèi)外不同雜種優(yōu)勢(shì)群、遺傳多樣性高、優(yōu)異性狀互補(bǔ)的骨干自交系作為基礎(chǔ)材料混合雜交建立群體，再逐步選系。基礎(chǔ)材料進(jìn)行全基因組重測(cè)序后鑒定全基因組范圍的變異位點(diǎn)，近而可以用來推測(cè)哪些基礎(chǔ)材料的基因組片段受到高頻率的選擇，并保留在高世代群體中。此為基因組優(yōu)化設(shè)計(jì)模型創(chuàng)制種質(zhì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。我們的研究發(fā)現(xiàn)，高世代群體中的自交系80%左右的基因組組分是由3～5個(gè)基礎(chǔ)材料提供的。這些材料主要是由綜合性狀好、配合力廣泛的國內(nèi)老牌自交系組成，但其雜交種的產(chǎn)量并不是最高的。這說明老牌自交系可能提供的是具有廣泛環(huán)境適應(yīng)性的遺傳背景。另外20%的基因組組分則是來自其他較新的骨干自交系。這些自交系各自提供1%～3%左右的不等的基因組片段；且隨著測(cè)驗(yàn)種的不同，提供片段的比例也會(huì)有的差異。這說明了兩個(gè)問題：第一，老牌自交系仍有較高的發(fā)掘價(jià)值，是保證廣泛地域適應(yīng)性與基本配合力的遺傳背景基礎(chǔ)；第二，新的自交系往往提供的是優(yōu)秀的遺傳前景，即對(duì)提高產(chǎn)量與近一步提高配合力有利的基因。
（張紅偉老師的補(bǔ)充：種質(zhì)資源的引進(jìn)和建立是非常重要的問題，每個(gè)育種家都非常關(guān)心，主要關(guān)心兩個(gè)問題，一是用什么材料來創(chuàng)制，比如本段提到的老牌材料用誰新材料用誰，這一點(diǎn)目前主要是根據(jù)育種家的經(jīng)驗(yàn)來決定的，未來我們?cè)趺从脭?shù)據(jù)來決定，如何決定用誰不用誰，以誰為主，來改良誰。二是如何創(chuàng)制，即創(chuàng)制方法的問題，育種家在做這個(gè)決定的時(shí)候存在一定的主觀性，有人選擇BC1回交改良，有人選擇不斷自交選系，穩(wěn)定后測(cè)配，有人選擇以其中一個(gè)親本為主多供體親本為輔的輪回改良。主觀性意味著缺乏科學(xué)決斷，既是低效率。那未來能不能利用大數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)分析師直接告訴育種家哪種方案是最好的，按照這個(gè)方案來就可以了。）
二、雜種優(yōu)勢(shì)模式的形成與固定。在初步創(chuàng)制新型種質(zhì)群體后，首先利用來自不同雜種優(yōu)勢(shì)群的測(cè)驗(yàn)種與之組配，確定配合力優(yōu)秀的雜種優(yōu)勢(shì)群；然后，通過群內(nèi)的自交系改良，提升兩群間的配合力，逐步形成具有雜種優(yōu)勢(shì)模式清晰、配合力穩(wěn)定的A、B群。這一過程可以采用全基因組選擇輔助選系，加速雜種優(yōu)勢(shì)模式的形成與固定。換而言之，也是利用基因型到表型預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)雜交組合的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)在提高2到3倍的遺傳增益速率同時(shí)，降低田間測(cè)試的成本。我們?nèi)旱膹埣t偉老師曾經(jīng)非常全面的介紹過全基因組選擇技術(shù)，大家可以回顧一下。此外，A、B群間保持一定的遺傳距離是必要的，但遺傳距離與雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的強(qiáng)度（或配合力）并非是完全正相關(guān)的關(guān)系。父、母本基因組中生育期調(diào)控相關(guān)基因，尤其在營養(yǎng)期到生殖期轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，時(shí)間與空間上的基因表達(dá)形成一定的契合度，是產(chǎn)生優(yōu)秀配合力的分子基礎(chǔ)。因此，選系的分子本質(zhì)可以理解為是雙親中生育期基因調(diào)控模式的契合度的選擇。雜種優(yōu)勢(shì)模式形成的另一關(guān)鍵因素是雙親中有利、有害等位基因的互補(bǔ)模式。前人利用經(jīng)典遺傳學(xué)理論在這方面提出很多假說解釋雜種優(yōu)勢(shì)，但仍未觸及雜種優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)理。本人以前的作業(yè)曾提出雜種優(yōu)勢(shì)應(yīng)當(dāng)在作物的全發(fā)育過程去研究，而不是僅僅關(guān)注產(chǎn)量。產(chǎn)量是整個(gè)發(fā)育過程各個(gè)階段不同基因的加性、顯性、上位性效應(yīng)逐步積累的結(jié)果。
（張紅偉老師的補(bǔ)充：這一段讓我想起兩個(gè)問題，一是預(yù)測(cè)的問題，我個(gè)人覺得GS輔助育種是預(yù)測(cè)的初級(jí)應(yīng)用，而且門檻也比較低，在GS預(yù)測(cè)上線性模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型差別也不大。進(jìn)一步的預(yù)測(cè)問題是前面提到的問題，即固定一個(gè)tester，要從100個(gè)育種資源中預(yù)測(cè)怎么樣的基因組組合跟這個(gè)tester最配，以及不固定tester，要從100個(gè)育種資源中預(yù)測(cè)哪種基因型組合跟哪種基因型組合最配。還有更進(jìn)一步的G BY E，從100個(gè)育種資源中預(yù)測(cè)，哪種基因型組合和哪種基因型組合在哪個(gè)縣哪個(gè)市表現(xiàn)最好。這些可能不是一般的線性模型和機(jī)器學(xué)習(xí)模型能做的事情，可能需要加入深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)略等大數(shù)據(jù)技術(shù)來輔助預(yù)測(cè)。另一個(gè)問題是本段提到的：選系的分子本質(zhì)可以理解為是雙親中生育期基因調(diào)控模式的契合度的選擇。這個(gè)問題深入思考無論是在分子生物學(xué)角度和數(shù)據(jù)模型的角度都比較復(fù)雜，我覺得存在廣闊的思考空間。一個(gè)問題是為什么雙親需要契合才能有更好的表現(xiàn)，為什么單親不行作為品種，可不可以把所有的優(yōu)良基因型都聚集在單親里面，用自交系作為品種，我覺得這方面不是沒有可能，自交系的優(yōu)點(diǎn)是株高矮、不怕風(fēng)吹、抗倒性強(qiáng)，而且制種成本極低，優(yōu)良的自交系播種到10000株每畝也是有可能的。再進(jìn)一步思考為什么雙親需要契合，因?yàn)榉肿油緩蕉疾皇菃我坏?，都是與pathway和network的形式起作用的，雙親需要契合的其中一個(gè)原因是某一個(gè)network在其中一個(gè)親本里面不work，但是組配成F1契合之后，work了，我覺得上位性只是在二維空間上來理解分子的network，可能事實(shí)上這個(gè)二維空間只是network中的一根連線，可能一個(gè)基因參與多個(gè)性狀的上位性互作，從這個(gè)基因出發(fā)可能有很多線，遺傳分析上只是發(fā)現(xiàn)了其中的一條線。那么接下來的問題是，我怎么實(shí)現(xiàn)在F1中存在最好的network，可不可以預(yù)測(cè)，如何把自然界中最好的network，通過遺傳設(shè)計(jì)產(chǎn)生一個(gè)包含許許多多最好network的F1。在這條路上，既有分子生物學(xué)家的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也有生信和統(tǒng)計(jì)專家的基于和挑戰(zhàn)。目前分子生物學(xué)家設(shè)計(jì)的基于pathway basedbreeding，通過導(dǎo)入生化通路創(chuàng)制了golden rice。那么數(shù)據(jù)分析專家能不能預(yù)測(cè)最佳的通路組分基因的最佳單倍型組合，并把他們從100份育種材料中設(shè)計(jì)到一起呢，可能這需要多學(xué)科的配合，非常具有挑戰(zhàn)性）。
三、農(nóng)藝性狀改良的分子基礎(chǔ)。性狀改良雖然大多情況下是以單獨(dú)或少量性狀為目標(biāo)，但極少情況下是在選擇單一基因的有利變異。作物在數(shù)千年的馴化、適應(yīng)、改良的過程中，積累了各種類型的變異，包括馴化變異、緯度適應(yīng)性變異（即光周期、積溫適應(yīng)性變異）、微環(huán)境適應(yīng)性變異（即抗病蟲性、營養(yǎng)吸收利用類變異），以及各類農(nóng)藝性狀改良變異。育種改良中性狀每一輪看似微不足道的提升，其實(shí)都是站在巨人的肩膀上，新的有利變異要與上述各類型有利變異達(dá)到一定的契合度后，才可能有效地提高目標(biāo)性狀，同時(shí)又不會(huì)對(duì)其他性狀產(chǎn)生負(fù)面的效應(yīng)。因此，性狀改良的過程是建立性狀之間的“平衡”，其分子本質(zhì)是選擇最優(yōu)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通俗的比喻，也就在選擇一個(gè)新成員融入到大家庭中后的新的協(xié)作模式，從而提高團(tuán)隊(duì)的整體效率。普通農(nóng)藝性狀的改良（如株型、緯度適應(yīng)性）是可以通過分子設(shè)計(jì)育種的策略而加速實(shí)現(xiàn)的，但要基于育種大數(shù)據(jù)建立模型預(yù)測(cè)最優(yōu)的基因型組合模式。前提條件是有利變異的頻率不能過低（次等位基因頻率在0.05～0.15之間），否則需要的群體規(guī)模是巨大的。
（張紅偉老師的補(bǔ)充：老一輩育種家通過不斷測(cè)試所選出來的骨干自交系包含了很多優(yōu)良基因，大多數(shù)配合力非常好，所以現(xiàn)在我們成為育種改良，改良的意識(shí)就是一點(diǎn)一點(diǎn)的改進(jìn)提高，前文也提高，不可能通過大比例地引入外援供體基因組來實(shí)現(xiàn)改良，分子上來講，一下子引入了太多，破壞了很多本來很好的interaction，從而產(chǎn)生不符合育種家需求的負(fù)向效應(yīng)。改良的目標(biāo)是性狀，引入的供體背景是通過分子通路和網(wǎng)絡(luò)來起作用的。這里面有兩件事情如果弄清楚將助力大數(shù)據(jù)育種和分子育種。一是能不能從分子上或者數(shù)據(jù)分析上知道，哪些通路網(wǎng)絡(luò)起作用后，田間F1表現(xiàn)就好了，不起作用就不行。二是能不能知道從哪些材料里面引入哪些通路和網(wǎng)絡(luò)，能起到改良的效果，進(jìn)一步的復(fù)雜問題是這些通路和網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用的機(jī)制是什么。）
四、特殊配合力的可預(yù)測(cè)性。特殊配合力是很難預(yù)測(cè)的，主要有三點(diǎn)原因：一、特殊配合力大多由微環(huán)境適應(yīng)性變異導(dǎo)致的，頻率極低（即罕見基因型，遠(yuǎn)小于0.01的變異，即使全基因組標(biāo)記也難以覆蓋），但效應(yīng)可能不低（類似人類的單基因罕見病）；二、大多是雙親基因組中各自有利變異的互補(bǔ)結(jié)果，非加性效應(yīng)為主；三、受環(huán)境影響較大。但特殊配合力一定是在一般配合力較為優(yōu)秀的基礎(chǔ)上而形成的。篩選特殊配合力強(qiáng)且穩(wěn)定的組合主要通過田間測(cè)試完成，但可以先通過全基因組選擇縮小候選組合范圍，一般選擇候選組合的預(yù)測(cè)產(chǎn)量不顯著低于對(duì)照品種的組合（群體的Top 10%~15%），進(jìn)行多年多點(diǎn)的測(cè)試，檢驗(yàn)特殊配合力在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性。
（張紅偉老師的補(bǔ)充：前人研究SCA是各種加加、加顯、顯顯導(dǎo)致的，現(xiàn)在這種不同的上位性有一定的環(huán)境特異性，要不然也不會(huì)導(dǎo)致某些品種只適合在某些地區(qū)推廣。這種加加、加顯、顯顯的分子基礎(chǔ)有沒有可能從數(shù)據(jù)分析的角度搞清楚，為什么有些通路網(wǎng)絡(luò)重組后表現(xiàn)為加加，而另一些表現(xiàn)為加顯和顯顯，從分子不太好理解，可能也不全是interaction或者網(wǎng)絡(luò)的事情，或許有其他效應(yīng)在里面，比如劑量效應(yīng)。或許這些搞清楚的話有利于更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)育種。）
五、抗性的可預(yù)測(cè)性。抗性包括抗病、抗蟲、抗倒伏、抗脅迫等一系列性狀。抗性變異大多為罕見變異，也經(jīng)常和有害變異連鎖。國外抗性標(biāo)記的開發(fā)一般是在克隆抗性基因后，基因功能解析較為透徹、育種體系較為固定、測(cè)試環(huán)境相對(duì)一致的條件下，經(jīng)過長(zhǎng)年的標(biāo)記有效性驗(yàn)證后獲得的穩(wěn)定標(biāo)記。國外抗性標(biāo)記的開發(fā)投入是巨大的，針對(duì)我國育種的情況，抗性篩選的最有效途徑還是在高壓環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。很多抗性是單基因決定的質(zhì)量性狀，因此也是最有希望通過基因編輯等生物技術(shù)手段解決的。
（張紅偉老師的補(bǔ)充：問題是生物脅迫幾套網(wǎng)絡(luò)，非生物脅迫幾套網(wǎng)絡(luò)，F1產(chǎn)量表現(xiàn)一套網(wǎng)絡(luò)。如何才能使得F1中有各種最好的網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)策略是先以選育為主，選好之后再做抗性篩選，就是保證產(chǎn)量具有最好的網(wǎng)絡(luò)，抗性網(wǎng)絡(luò)差不多就可以了。另一種策略是通過對(duì)遺傳和生物通路的挖掘，設(shè)計(jì)同時(shí)包含幾套網(wǎng)絡(luò)的基因型組合。）
我國種業(yè)公司、科研單位的研究隊(duì)伍組成單一，缺乏多元化構(gòu)成；與國外種業(yè)公司“多技術(shù)融合型加速育種體系”的發(fā)展方向形成鮮明對(duì)比。一個(gè)育種項(xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)固然重要，但仍依靠足夠規(guī)模的群體才能提供育種選擇的遺傳素材。先進(jìn)的生物技術(shù)與檢測(cè)設(shè)備本質(zhì)上是為了降低育種成本、縮短育種周期、積累育種數(shù)據(jù)，育種科學(xué)的質(zhì)的飛躍還是需要依賴于理論的創(chuàng)新。現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)快速創(chuàng)制我國特色的新型種質(zhì)資源提供了條件，如何將有限的資源投入到種質(zhì)創(chuàng)新上，是需要國家的頂層設(shè)計(jì)和支持的。各種技術(shù)利用好了，其實(shí)是有可能將國外種業(yè)巨頭20～30年走過的路，在5～10年內(nèi)完成的。
本文的諸多觀點(diǎn)基于我們實(shí)驗(yàn)室對(duì)育種基因型、表型數(shù)據(jù)，種質(zhì)資源數(shù)據(jù)的分析而得出的，是本人“由內(nèi)向外”對(duì)育種的分子本質(zhì)的理解。有些觀點(diǎn)可能是片面的，甚至是錯(cuò)的，歡迎各位一線育種家的批評(píng)指正。同時(shí)也感謝“達(dá)摩院”的另外九位老師對(duì)本文提出的修改意見與熱烈討論。
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