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作物杂志,2024, 第1期: 1–7 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2024.01.001

• 专题综述 •    下一篇

我国作物设计育种体系发展及挑战

杜明1(), 王阿红2, 冯旗2(), 方玉1,3()   

  1. 1上海中科荃银分子育种技术有限公司，200234，上海
    2中国科学院分子植物科学卓越创新中心/国家基因研究中心，200233，上海
    3浙江大学作物科学研究所/生物信息学研究所，310058，浙江杭州
  • 收稿日期:2022-12-07 修回日期:2023-02-11 出版日期:2024-02-15 发布日期:2024-02-20
  • 通讯作者: 方玉，主要从事作物遗传育种工作，E-mail：fy@zkwbreeding.com; 冯旗，主要从事水稻基因组和功能基因研究工作，E-mail：qfeng@ncgr.ac.cn
  • 作者简介:杜明，主要从事农作物遗传育种工作，E-mail：dm@zkwbreeding.com
  • 基金资助:
    上海市科技兴农项目(HNKTZ-2021-1-3)

Development and Challenge of Crop Breeding by Design System in China

Du Ming1(), Wang Ahong2, Feng Qi2(), Fang Yu1,3()   

  1. 1Shanghai ZKW Molecular Breeding Technology Co., Ltd., Shanghai 200234, China
    2Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Chinese Academy of Sciences / National Center for Gene Research, Shanghai 200233, China
    3Institute of Crop Science & Institute of Bioinformatics, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China
  • Received:2022-12-07 Revised:2023-02-11 Online:2024-02-15 Published:2024-02-20
  • Contact: Feng Qi,Fang Yu

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PDF (PC)

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摘要：

作物设计育种是全球育种技术研究的“圣杯”。由于农作物有其环境适应性和应用多元化，作物设计育种是需要将有利等位基因聚合并克服同时空表达可能出现的问题，选育出在不同环境下所需品种的过程，是一个以遗传学为基础，结合作物栽培与耕作学、生物技术、信息技术，并涉及材料学和机械工程等多学科交叉的技术体系。育种的发展经历了最初的基于表型的选择，到当前基于基因组或基因水平的设计，是一个逐渐进步和技术化的过程。本文通过梳理总结作物育种的发展历程，结合作物育种的发展规律和人们的主观需求，提出作物设计育种未来的趋势，并对设计育种在新技术与常规育种的融合及其商业化发展中遇到的挑战进行了重点阐述，探索符合我国种业发展需求的底层技术驱动下未来商业化作物设计育种体系。

关键词: 设计育种, 作物, 分子育种, 体系

Abstract:

Crop breeding by design is a crucial area of research in global breeding technology. In order to create crop varieties that satisfy a range of environmental requirements and are useful for a variety of purposes, it aims to combine advantageous alleles and overcome obstacles related to gene spatial expression. Crop breeding by design is a multidisciplinary field that necessitates the integration of genetics, biotechnology, information technology, mechanical engineering, agriculture, and materials science. From phenotype-based selection in the beginning to genome-based or gene-level design in the present, it has changed, demonstrating a process of incremental development and technological breakthrough. This paper summarized the development history of crop breeding, based on the development rules and requirements, and outlined the future trend of crop breeding by design formation. This paper also highlighted the challenges facing the integration of new and conventional breeding technologies and commercialization of crop breeding by design. Ultimately, it aimed to explore a future commercial crop breeding by design system that meets the evolving needs of Chinese seed industry, driven by underlying technologies.

Key words: Breeding by design, Crops, Molecular breeding, System

图1

作物设计育种发展路径

表1

不同发展阶段的育种技术

育种阶段Breeding stage 文献 [14] Reference [14] 文献 [11] Reference [11]
1.0
 覆盖过去上万年的作物育种发展历程，耕作者的偶然选择 原始驯化选育（通过人工选择，优中选优，将野生种驯化为栽培种并进一步选育为优良品种与种质）
2.0 始于19世纪末，统计和试验设计提高选育能力 常规育种（包括杂交育种、诱变育种、杂种优势利用等育种方法）
3.0
 贯穿20世纪末至今，遗传与基因组数据的集成（目前国际上的技术水平） 分子育种（将分子生物学技术手段应用于育种中，通常包括分子标记辅助育种、转基因育种和分子模块育种等）
4.0
 能够实现任何已知等位基因的最优组合，一些作物会很快实现 正在向设计育种或智能化育种（将基因编辑、生物育种、人工智能等技术融合发展，实现性状的精准定向改良）发展
[1] 赖小琴.做强农业“芯片”端稳手中饭碗. 西江日报, 2022-04-26(2).
[2] 方玉, 张琴, 李潜龙, 等. 有中国特色的水稻设计育种体系建设探究. 中国种业, 2020(9):5-8.
[3] 何烈勋. 对育种工作的一点意见. 中国农业科学, 1951(5):40-41.
[4] 万建民. 作物分子设计育种. 作物学报, 2006, 32(3):455-462.
[5] 庄巧生. 我国作物育种方法的新进展. 中国农业科学, 1961(3):51-53.
[6] 王彦霞, 王海波. 作物育种技术的发展、进步及存在的问题. 河北农业科学, 2001, 5(2):62-72.
[7] 吴京华, 廖伏明. 中国水稻杂种优势利用的成就、进展与前景. 世界农业, 1999(8):3.
[8] 李新海, 谷晓峰, 马有志, 等. 农作物基因设计育种发展现状与展望. 中国农业科技导报, 2020, 22(8):1-4.
doi: 10.13304/j.nykjdb.2020.0636
[9] 顾铭洪, 刘巧泉. 作物分子设计育种及其发展前景分析. 扬州大学学报(农业与生命科学版), 2009, 30(1):64-67.
[10] 余泓, 王冰, 陈明江, 等. 水稻分子设计育种发展与展望. 生命科学, 2018, 30(10):1032-1037.
[11] 景海春, 田志喜, 种康, 等. 分子设计育种的科技问题及其展望概论. 中国科学:生命科学, 2021, 51(10):1356-1365.
[12] Clark D E, Westhead D R. Evolutionary algorithms in computer- aided molecular design. Journal of Computer-Aided Molecular Design, 1996, 10(4):337-358.
pmid: 8877705
[13] Peleman J D, van der Voort J R. Breeding by design. Trends Plant Science, 2003, 8(7):330-334.
doi: 10.1016/S1360-1385(03)00134-1
[14] Edwards Buckler S R W G J. On the road to breeding 4.0: unraveling the good, the bad, and the boring of crop quantitative genomics. Annual Review of Genetics, 2018, 52(1):421-444.
doi: 10.1146/genet.2018.52.issue-1
[15] 陈绍江. 品种设计与商业化育种. 种子, 2001(6):39-41.
[16] Yu J, Hu S N, Wang J, et al. A draft sequence of the rice genome (Oryza sativa L. ssp. indica). Science, 2002, 296(5565):79-92.
doi: 10.1126/science.1068037
[17] Feng Q, Zhang Y J, Hao P, et al. Sequence and analysis of rice chromosome 4. Nature, 2002, 420(6913):316-320.
doi: 10.1038/nature01183
[18] 洪孟民. 《水稻基因设计育种》一书读后. 中国水稻科学, 2011, 25(1):30.
[19] 作物设计. 分子植物育种, 2004(4):601.
[20] 钱前. 水稻基因设计育种. 北京: 科学出版社, 2007.
[21] 薛勇彪, 段子渊, 种康, 等. 面向未来的新一代生物育种技术——分子模块设计育种. 中国科学院院刊, 2013, 28(3):308-314.
[22] 余泓, 王冰, 陈明江, 等. 水稻分子设计育种发展与展望. 生命科学, 2018, 30(10):1032-1037.
[23] 陈凡, 钱前, 王台, 等. 2017年中国植物科学若干领域重要研究进展. 植物学报, 2018, 53(4):391-440.
doi: 10.11983/CBB18177
[24] 樊龙江, 王卫娣, 王斌, 等. 作物育种相关数据及大数据技术育种利用. 浙江大学学报(农业与生命科学版), 2016, 42(1):30-39.
[25] 张桂权. 基于SSSL文库的水稻设计育种平台. 遗传, 2019, 41(8):754-760.
[26] Wei X, Qiu J, Yong K C, et al. A quantitative genomics map of rice provides genetic insights and guides breeding. Nature Genetics, 2021, 53(2):243-253.
doi: 10.1038/s41588-020-00769-9 pmid: 33526925
[27] A Chinese renaissance. Nature Plants, 2017, 3(2):17006.
doi: 10.1038/nplants.2017.6
[28] 丛靖宇, 王瑞刚, 李国婧. 新农科背景下植物分子设计育种的教学与实践. 内蒙古农业大学学报(社会科学版), 2022, 24 (5):22-27.
[29] 邓兴旺, 王海洋, 唐晓艳, 等. 杂交水稻育种将迎来新时代. 中国科学:生命科学, 2013, 43(10):864-868.
[30] 张燕, 王春, 王克剑. 人工创制植物无融合生殖的研究进展. 科学通报, 2020, 65(27):2999-3007.
[31] Lin Z C, Eaves D J, Sanchezmoran E, et al. The Papaver rhoeas S determinants confer self-incompatibility to Arabidopsis thaliana in planta. Science, 2015, 350(6261):684-687.
doi: 10.1126/science.aad2983
[32] 杨长青, 王凌健, 毛颖波, 等. 植物转基因技术的诞生和发展. 生命科学, 2011, 23(2):140-150.
[33] 汪海, 赖锦盛, 王海洋, 等. 作物智能设计育种——自然变异的智能组合和人工变异的智能创制. 中国农业科技导报, 2022, 24(6):1-8.
doi: 10.13304/j.nykjdb.2022.0391
[34] 侯青青, 司丽珍, 黄学辉, 等. 水稻复杂性状研究的新途径:水稻重要农艺性状全基因组关联分析. 生命科学, 2016, 28(10):1250-1257.
[35] 尹志欣, 袁立科, 李振兴. 高科技企业全球创新布局及模式选择——以华为公司为例. 中国科技论坛, 2017(10):72-79.
[36] 侯惠勤.中国马克思主义与当代(2021年版). 北京: 高等教育出版社, 2021:177.
[1] 李红艳, 姚晓华, 姚有华, 李新, 吴昆仑. 麦类作物蓝粒性状遗传与调控机制研究进展[J]. 作物杂志, 2024, (2): 9–14
[2] 边晓萌, 李华锋, 陈彦宾. “十三五”国家重点研发计划“经作”专项杂粮领域资助情况及实施进展概述[J]. 作物杂志, 2023, (4): 1–6
[3] 温胜慧, 杨俊伟, 王洋, 李公建, 翁建峰, 段灿星, 贾鑫, 王建军. 玉米抗真菌病害基因挖掘与分子育种利用研究进展[J]. 作物杂志, 2023, (3): 1–11
[4] 孟亚轩, 姚旭航, 孙颖琦, 赵心月, 王凤霞, 瓮巧云, 刘颖慧. 主要禾谷类作物DGAT基因家族比较分析[J]. 作物杂志, 2023, (1): 20–29
[5] 张东霞, 秦安振. 冬小麦-夏玉米作物蒸散量及其水热关系研究[J]. 作物杂志, 2022, (6): 145–151
[6] 严圣吉, 尚子吟, 邓艾兴, 张卫建. 我国农田氧化亚氮排放的时空特征及减排途径[J]. 作物杂志, 2022, (3): 1–8
[7] 荣克伟, 柳波娟, 卢跃磊, 陈勇, 罗平, 赵康, 郝转芳, 高文伟. MAGIC群体的遗传特征及其在作物耐逆研究上的应用[J]. 作物杂志, 2022, (3): 9–19
[8] 韦兴迪, 左相兵, 田维荣, 裴成江, 张明均, 卢敏. 贵州省主要农作物及其副产物资源调查与饲用价值评价研究[J]. 作物杂志, 2022, (2): 16–21
[9] 罗含敏, 熊发前, 丘立杭, 刘菁, 段维兴, 高轶静, 覃夏燕, 吴建明, 李杨瑞, 刘俊仙. 性状相关的分子标记在甘蔗分子育种中的应用研究[J]. 作物杂志, 2022, (2): 35–43
[10] 刘卫星, 范小玉, 张枫叶, 贺群岭, 陈雷, 李可, 吴继华. 不同前茬和种衣剂用量对花生病虫害及产量的影响[J]. 作物杂志, 2021, (6): 199–204
[11] 蔺儒侠, 郭凤丹, 王兴军, 夏晗, 侯蕾. 花生分子育种研究进展[J]. 作物杂志, 2021, (5): 1–5
[12] 王儒情, 华玮, 刘军. 不同作物光合蛋白复合物的提取及比较分析[J]. 作物杂志, 2021, (5): 35–42
[13] 刘学彤, 郑春莲, 曹薇, 党红凯, 曹彩云, 李晓爽, 李科江, 马俊永. 长期定位施肥对土壤有机质、不同形态氮含量及作物产量的影响[J]. 作物杂志, 2021, (4): 130–135
[14] 李文旭, 吴政卿, 雷振生, 姜桂英. 河南省主要气象因子变化及其对主要粮食作物单产的影响特征[J]. 作物杂志, 2021, (1): 124–134
[15] 纪景纯, 刘建立, 牛玉洁, 宣可凡, 蒋一飞, 邓皓东, 李晓鹏. 基于全波段高光谱的冬小麦生长参数估算方法比较[J]. 作物杂志, 2020, (6): 180–188
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