种子是农业的“芯片”，决定着作物的生产[1]。尽管不同的作物功能不同，不同时期人们对作物的需求也有变化，但基于我国是人口大国，一直以来，在保障粮食安全的前提下，不断满足人们消费需求，是我国作物育种工作的核心。
作物育种工作的第一步是确定育种目标，这就决定了育种与设计将紧紧地联系在一起[2-3]。长期以来，作物育种的方法仅有杂交、培育和选择3个基本环节，效率一般不到百万分之一[4-5]。但是，从农民的偶然选择到当前育种家能够精巧地实现水稻恢复系转育成不育系，作物育种永远都是根据人类的需求，采用简单或者复杂的手段获得新品种。因此，若没有更加先进的技术手段和设备装置被开发利用，又缺乏丰富的育种经验和特殊机遇，那么育种的确存在着很大盲目性和不可预测性，尤其是当前的育种目标会根据社会环境的变化不断地发生着改变。我国在国际上率先开展矮化育种，并在20世纪成功开展了水稻三系法和两系法的研究和应用。随着气候和国际环境的变化，我国对育种工作也提出了新的整体目标：打赢种业翻身仗。在以生物技术为代表的新技术日新月异发展的同时，如何实现针对不同环境下的品种设计，并基于此发展起来的作物设计育种成为当前最主要的育种方向。故而，我们提出作物设计育种是一项以遗传学为基础，结合生物技术、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交叉的技术体系，实现育种过程中有利等位基因的聚合及克服同时空表达可能出现的问题，选育出不同环境下所需要的品种。我国育种工作虽然取得了像杂交水稻这样世界瞩目的成绩，但也面临着原创性关键技术匮乏等困境，没有形成有自我特色的发展模式。在作物设计育种领域，我国和全球起步时间相近，研究水平整体相当。伴随着世界种业新一轮并购后的竞争格局，我国迎来了作物设计育种发展的新时代。
1 作物设计育种的发展
作物育种可以追溯到古代的“驯化育种”，《尚书》和《汜胜之书》记载了我国古代农民在农业生产中选择优良单株、优良单穗和混收留种的方法[6]。科学育种这一思想是在达尔文提出进化论以及孟德尔发现遗传规律后被提出的，随后科学家们又提出了染色体和基因的概念，为作物育种发展提供了扎实的理论依据。经过半个世纪的发展，作物育种技术有了巨大的进步，以杂交育种为核心的常规育种技术体系逐步完善健全。1970年，以袁隆平院士为代表的国内科学家实现了杂交水稻的三系配套，
国内最早于2001年提出设计育种的雏形，陈绍江[15]提出了品种设计作为育种科学一个分支的理论设想；2002年，我国水稻全基因组框架图以及第4号染色体精确测序的完成，标志着我国在水稻基因组研究中处于世界领先的地位[16-17]；2003年，在中国水稻研究所组织的“利用生物技术开发水稻育种新材料”国际水稻育种峰会上，与会者提出“水稻基因设计育种将成为第三次水稻育种突破口”的新观点[18]；2004年，提出了“作物设计”的育种新概念[19]；2006年，万建民[4]提出了作物分子设计育种的概念；2007年，钱前[20]利用日本晴和9311重组自交系定位的6个分蘖QTL和其他8个已经定位的分蘖基因构建了14个分蘖基因/QTL导入系和染色体单片段置换系，获得了设计目标与实际育种符合的基因型；2013年，薛勇彪等[21]提出了针对农业生物复杂性状改良的“分子模块育种”概念；余泓等[22]率先在我国开展分子设计育种研究，研究成果“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”荣获2017年度国家自然科学一等奖[23]；2016年，樊龙江等[24]提出了大数据作物育种技术；2019年，张桂全[25]提出了基于染色体单片段代换系（single-segment substitution lines，SSSL）的三步走水稻设计育种策略；2021年，Wei等[26]构建了迄今为止最完善的水稻数量性状基因关键变异（causative variation）图谱，开发了一款智能化的水稻育种导航系统RiceNavi®（图1）。无论是国内还是国外，还是多种形式的命名，设计育种的核心是结合多学科交叉实现的新型育种方式，是在整合创新链上各要素而形成的高效精准育种技术体系，也是未来作物育种的不二选择（表1）。当前，世界主要发达国家都在积极部署面向未来作物的基础研究，设计育种进入战略性竞争阶段[11]。目前，我国作物设计育种研究与世界整体在一个发展水平，甚至已经引领水稻乃至作物生物学、遗传学和基因组学基础研究[17]，具备率先实现作物设计育种的生物学基础条件。与此同时，我国科学家将水稻功能基因组学中所获得的基础理论研究成果与实际应用紧密结合，率先在作物育种工作中实践分子设计育种的理念[27]。
图1
表1 不同发展阶段的育种技术
Table 1
| 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 |
综上所述，高科技依托丰富的技术应用于育种实践，推动育种技术进行全新革新。目前，以大数据、云计算和人工智能等跨界技术为基础，构建以生物学核心的设计育种体系，打破传统育种的瓶颈，极大提升了育种效率和质量。这一技术路径下作物设计育种形成的关键要素可以概括为以下4点，第一是新型创制或者改变种质的技术，如TILLING、CRISPR或NSDS等；第二是全基因组鉴定技术，通过全基因组测序技术，结合RNA-seq和ChIP-seq技术等，快速筛选优良的种质；第三是高精度分子标记育种，大大缩短了育种时间和过程；第四是高通量表型组鉴定及大数据分析技术。近年来，传统育种机构主动开展分子设计育种研究，伴随着基因组测序分析和遗传转化等新技术迅猛发展和以国家水稻商业化分子育种技术创新联盟等为代表的农业农村部层面的推动，加快了作物育种的发展。如何在此形势下，找准我国作物种业发展的发力点，形成具有自主知识产权的技术体系和成果，是缩短种业与世界差距的机会，是实现我国育种工作整体目标的关键。
2 发展作物设计育种的3个协同
2.1 新技术协同引领作物设计育种的发展
陈绍江[15]提出的品种设计是对未来品种性状所进行的强调量化的具体设计，包括外观、成分、产量、代谢、抗性、生态型和基因工程等。尽管他认为这一提法不等同于通常所说的以描述性为主的育种目标，但可能这已经是当年最符合田间育种家需求的一种提法。中国率先发布了“国际水稻基因组计划”第4号染色体精确测序任务后，随后提出的作物分子设计育种和分子模块育种等都强调了其发展是基于植物基因组学和生物信息学等前沿学科的重大成就，分子生物学和基因工程等也成为分子设计育种的核心基础[28]。这一变化充分体现了设计育种这一多学科的系统工程越来越依靠技术的推进。事实上，以往杂交育种技术从本质上是染色体的重组交换，而基因组编辑技术、合成生物学、基于作物与微生物互作的跨界改良等新型生物技术将不断颠覆育种理念[9]，如美国杜邦先锋公司基于转基因技术在玉米中实现了基于核不育突变材料的种子生产技术（seed production technology，SPT）技术，也就是后来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”[29]；张燕等[30]通过利用现有的人工合成策略已将无融合生殖应用于杂交水稻中，并实现了杂合基因型与基因组倍性的固定；Lin等[31]通过转入来自虞美人的2个基因，使拟南芥自交不亲和，实现自花授粉植物到自交不亲和植物的转换。设计育种这一系统不仅需要遗传学研究“推进”的逻辑，也需要多学科的协同和相辅相成。相关国际巨头在转基因、基因编辑和基因组关联分析等领域的技术优势不仅使其实现了高速发展，也使得其具备快速进入作物设计育种的先发基础。当前作物种业的发展除了基于遗传学发展的技术外，还延伸到了更多新的学科，如智能计算和软件开发所需要的计算机科学，开展分子试验所需要的化学和材料学，部分性状鉴定需要的光学和机械工程等。可以预见的是，未来农机装备可能改变作物株型、光学可能取代表型鉴定、测序技术不断优化基因组信息等发展。伴随着这些新技术发展，作物设计育种可能发生翻天覆地的变化。
2.2 常规育种协同支撑作物设计育种发展
顾铭洪等[9]特别提出必须重视解决好分子设计育种与常规育种相结合的问题，包括要注重分子生物学家与常规育种家的结合，要让分子设计育种研究的相关技术尽可能简单实用化。不论什么样的新技术，都是服务育种的工具和手段，最终还是要回归到植物生长的基本逻辑上。田间的性状作为新品种种植者最关心的问题，自然成为品种选育的关键。而且目前大部分设计育种，都提出需要加强开展表型及相关学科的研究。在机器采集和运算不能完全取代人工田间观察之前，常规育种形成的丰富的农艺性状鉴定及其在育种上寻找或发现规律，是开展作物设计育种的宝贵资源。这也就是为什么主要采用常规育种手段的育种家，能够选育出极具竞争力的新品种或底盘新品种；而对表型不能深入了解的其他科学家，大概率会选育出聚合优异基因的育种材料或获得植物新品种权（plant variety rights，PVR）规定下的植物新品种。同时，作为新的技术应用到育种中，除自身的先进性和稳定性外，仍需要考虑使用者的接受程度，包括知识结构、成本和效率等。必须将涉及的相关分子生物学技术向简单实用化发展，而且最好能高效率、高通量。在中国种业过去发展的20年间，有很多种业公司为了追求新技术，而忽视了与常规育种的结合，造成了企业发展的不可持续。反观国际巨头相关公司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。因此，作物设计育种是常规育种的有力补充，它也需要常规育种技术的协同支撑。
2.3 商业化推广协同促进作物设计育种发展
育种工作有悠久的历史，但真正商业化的时间并不长，其开始的标志性事件应该是作物种子的杂交化。之后很长一段时间内，虽然形成了技术水平极高的三系法和两系法等，但依然在杂交化体系内。第二个标志性的事件是转基因技术的应用。转基因技术可以追溯到20世纪60年代发展起来的DNA重组技术，大约20世纪80年代应用到植物。随着1994年转基因延熟番茄获准商业化种植以来，转基因技术在世界范围内发展迅速[32]，这才有了商业上大家熟知的种业巨头的诞生。孟山都公司1981年在成立分子生物学小组之前还是一家农业化学品公司，现有种业的商业模式是基于以育种1.0、育种2.0，甚至是育种3.0而创立形成，但也不等同于原有技术模式，例如很多开展常规育种的育种家并不能很好地解决杂交化带来的商品种子生产问题。叠加品种审定这一市场准入制度，一方面赋予了育种的社会属性，也强化了其商业性本质。设计育种作为新型交叉学科，极大概率地能形成未来新的种业商业模式。所以从事作物设计育种，不仅要具备良好的专业知识，也需要具有商业化思维。目前整体看来，也只有少数种业巨头在部分作物、部分研究领域形成了一定的基础。我国的现状是基础研究强，技术开发和商业整合能力弱。汪海等[33]认为，我国种业企业非常有必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，形成“基础研究和应用基础研究在高校和研究所，应用研究在企业”的创新局面。
2.4 商业化思维统筹下的新技术和常规育种融合促进作物设计育种发展
一方面，未来基因组学、基因编辑、转基因等技术将实现协同，而不是互相竞争，引入育种新技术，可以对作物外部特征和种质资源进行有效的调控，提高效率；也可以实现新技术的增值和研发投入的可持续，特别是原创性新技术能引领作物设计育种发展；另一方面，在资源有限的前提下，常规育种依然保持了一定的竞争力，能让新技术实施有更高水平的底盘材料，更能让作物设计育种快速实现。商业化思维不仅可以深入了解种业市场需求，甚至改善农业结构，而且也能够统筹常规育种和作物设计育种，不但可以有效提升育种的效率，还可以有效抑制无序的研发投入，以及新技术“炫技”等泡沫现象的发生，校正作物设计育种的发展。
3 我国作物设计育种发展面临的挑战
3.1 新技术，特别是底层技术的突破
当前作物设计育种的研究有些以全基因组关联分析为核心[34]，有些以基因组编辑为核心，也有以合成生物学或表型组学装置开发为核心等。如前文所述，作物分子设计育种是一项多学科交叉协同形成的新技术体系。事实上，该项技术发展到当前，各学科已经互相渗透的很深入。至于核心，则取决于某项学科发展的领先程度，包括底层知识产权的归属和技术成果的成熟度。目前，作物设计育种还处于发展阶段，仅在遗传学领域就缺少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，仅基因层面的聚合仍无法在真正意义上实现作物设计育种的实践。想实现作物设计育种的突破，必须在新技术领域取得突破，特别是底层技术。这些底层技术是指在设计育种过程中需要用到的生物领域、化学领域、光学和机械工程学等领域的技术，不仅仅包含基因组学技术，还有生物工程，例如遗传转化和基因编辑等；合成生物学领域，例如化学试剂改良；以及适应机械耕作的设备改进等。基础研究带来的原创性底层技术突破，往往可以引领作物设计育种的发展，但也存在不确定性。这也是本文在总结作物设计育种的发展、预期结果和部分规律时，最终并没有给出底层技术定义的原因。我国作物设计育种发展不仅面临着以上问题，还存在发展基础薄弱的问题，如前文所述的基因组学中测序仪研发、基因编辑技术中高效编辑工具和食味仪的数据模型等。
3.2 机制创新，促进与常规育种的融合
从基础研究到应用基础研究，再到具有工程创新性质的品种选育，作物设计育种涉及了整体的创新链布局，也就是科学、技术和产品的逻辑。在常规育种已经达到一定高峰的前提下，作物设计育种的发展不仅需要多项新技术的协同，更是要加强与常规育种紧密合作。很长一段时间以来，我国杂交水稻技术都是领先世界，这得益于20世纪全国相关领域科研工作者的“大联合、大攻关”。当前，作物设计育种技术体系发展之路符合“四个面向”，需要进一步发挥新型举国体制优势，打破各学科、各单位、各团队间的机制束缚，开展深入协同。此外，作物设计育种与传统的常规育种相比，往往需要较高的技术门槛，如分子生物学、现代分子育种技术和遗传学等。这些技术相对于常规育种而言，技术理论基础要求较高且技术操作难度大，使得常规育种技术人员无法快速转变过来。例如，在RiceNavi体系应用阶段，不仅开发出了系列的种质资源“体检”工具，也针对育种家实际应用研制出了高效的基于多重PCR基因捕获的试剂盒，更将这些有用的QTNs铆定在全集基因组的图谱上，进行了不同育种材料背景下的验证和材料创制。
3.3 商业化思维及以企业创新为主体
作物设计育种的落脚点为育种，特别是新时期育种的目标决定了开展作物设计育种一方面要大胆开展基础研究的探索，长远布局，大胆尝试，有选择地走进“无人区”；另一方面要带着商业化思维去创新。科学的、深度的问题一般以点状形成，而产业的广度一般要上升到线状，甚至面状，需要企业整合新技术并形成体系。种子和手机在产业属性上均为产品，均有极高的科技含量。华为的发展理念告诉大家，如果技术先进，开发了有强大功能的产品，但并非客户所需，这种开发就是巨大的浪费[35]。这种以客户需求和市场为导向的创新，有且只有以企业为主体才可以做到，这也很好地回应了很多关心种业发展的人士担心中国企业是否有承担创新主体实力的问题。当前，我国种业企业整体在快速提升，但与国际相关公司相比实力仍然较弱，需要在商业化逻辑下开展科企紧密合作，这也符合前述内容的协同。特别要提出来的是，从华为创新研发“科学家创新与工程师创新并重”的经验可知，我国种业也要解放思想，做好人才和技术储备，拥抱作物设计育种时代的到来。
4 展望
随着现代生命科学快速发展，以及生物技术与信息、材料、新能源等技术加速融合，高通量测序、基因编辑和生物信息分析等现代生物技术突破与产业化快速演进[36]。从整体上来看，作物设计育种完全符合这一发展路径，是在面向市场需求的前提下，具有精准化、定向化和高效化等特点的育种技术体系，会伴随着多学科的相互交叉、相互渗透。未来作物设计育种会统筹原有的杂交、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，同时借助计算机模拟育种体系，以及新型机械装备，实现“品种定制”的目标。此外，随着合成生物学、人工智能等未来学科的发展，作物设计育种也将会再次迎来新的突破。借势此次作物设计育种发展浪潮的良机，是实现我国种业快速发展的关键窗口期。国际种业发展历程是在基础研究引领下的商业化推动。我国发展作物设计育种有自身的历史积淀，特别是科研单位不仅在基础研究方面取得一定的突破，也在种质资源创制，甚至商业化育种领域取得了不少成果。未来随着企业创新主体地位不断加强，科研单位进一步梳理在种业创新中的位置，通过开展科企合作，一定能够实现符合我国种业发展需求的底层技术驱动下的未来商业化作物设计育种体系。
参考文献
农作物基因设计育种发展现状与展望
DOI:10.13304/j.nykjdb.2020.0636
[本文引用: 1]
基因组学、计算生物学、合成生物学等基础科学快速发展，生物技术、信息技术、人工智能等前沿技术交叉融合，催生了精准设计育种，驱动作物育种加速向精准化、高效化和智能化发展，成为新时期农作物种业竞争的热点。系统分析了国际农作物基因设计育种发展态势，明确我国农作物基因设计育种发展现状与面临的挑战，展望新时期我国农作物基因设计育种发展路径，为推动农作物种业创新发展提供参考。
Evolutionary algorithms in computer- aided molecular design
In recent years, search and optimisation algorithms inspired by evolutionary processes have been applied with marked success to a wide variety of problems in diverse fields of study. In this review, we survey the growing application of these 'evolutionary algorithms' in one such area: computer-aided molecular design. In the course of the review, we seek to summarise the work to date and to indicate where evolutionary algorithms have met with success and where they have not fared so well. In addition to this, we also attempt to discern some future trends in both the basic research concerning these algorithms and their application to the elucidation, design and modelling of chemical and biochemical structures.
Breeding by design
DOI:10.1016/S1360-1385(03)00134-1 URL [本文引用: 1]
On the road to breeding 4.0: unraveling the good, the bad, and the boring of crop quantitative genomics
DOI:10.1146/genet.2018.52.issue-1 URL [本文引用: 1]
A draft sequence of the rice genome (Oryza sativa L. ssp. indica)
DOI:10.1126/science.1068037
URL
[本文引用: 1]
\n We have produced a draft sequence of the rice genome for the most widely cultivated subspecies in China,\n Oryza sativa\n L. ssp.\n indica\n, by whole-genome shotgun sequencing. The genome was 466 megabases in size, with an estimated 46,022 to 55,615 genes. Functional coverage in the assembled sequences was 92.0%. About 42.2% of the genome was in exact 20-nucleotide oligomer repeats, and most of the transposons were in the intergenic regions between genes. Although 80.6% of predicted\n Arabidopsis thaliana\n genes had a homolog in rice, only 49.4% of predicted rice genes had a homolog in\n A. thaliana\n. The large proportion of rice genes with no recognizable homologs is due to a gradient in the GC content of rice coding sequences.\n
Sequence and analysis of rice chromosome 4
DOI:10.1038/nature01183 [本文引用: 2]
2017年中国植物科学若干领域重要研究进展
DOI:10.11983/CBB18177
[本文引用: 1]
2017年中国植物科学继续保持高速发展态势, 重大成果频出, 具体表现在中国植物学家在国际顶级学术期刊发表的文章数量平稳上升。中国植物科学领域的研究工作者成果精彩纷呈, 如新型广谱抗病机制的发现、水稻广谱抗病遗传基础及机制和疫霉菌诱发病害成灾机制研究等。2017年中国生命科学领域十大进展评选中, 有两项植物科学领域的研究成果入选。水稻生物学、进化与基因组学和激素生物学等领域学科发展突出。另外, 值得一提的是, 长期从事高等植物与代谢途径调控分子网络研究和水稻品种设计育种的李家洋院士的研究成果“水稻高产优质性状形成的分子机理及品种设计”荣获2017年国家自然科学一等奖。这一具有重大国际影响的开创性贡献标志着中国植物科学在该领域的国际科学前沿居于引领和卓越地位。该文对2017年中国本土科学家在植物科学若干领域取得的重要研究成果进行了系统梳理, 旨在全面追踪和报道当前中国植物科学领域发展的最新前沿动态, 与广大读者共同分享我国科学家所取得的辉煌成就。
A quantitative genomics map of rice provides genetic insights and guides breeding
DOI:10.1038/s41588-020-00769-9
PMID:33526925
[本文引用: 1]
Extensive allelic variation in agronomically important genes serves as the basis of rice breeding. Here, we present a comprehensive map of rice quantitative trait nucleotides (QTNs) and inferred QTN effects based on eight genome-wide association study cohorts. Population genetic analyses revealed that domestication, local adaptation and heterosis are all associated with QTN allele frequency changes. A genome navigation system, RiceNavi, was developed for QTN pyramiding and breeding route optimization, and implemented in the improvement of a widely cultivated indica variety. This work presents an efficient platform that bridges ever-increasing genomic knowledge and diverse improvement needs in rice.
The Papaver rhoeas S determinants confer self-incompatibility to Arabidopsis thaliana in planta
DOI:10.1126/science.aad2983
URL
[本文引用: 1]
\n The plants\n Arabidopsis thaliana\n and\n Papaver rhoeas\n (poppy) shared a common ancestor approximately 140 million years ago. Because of this evolutionary distance, although many of their genes share function, the mechanisms that allow these genes to function are expected to have diverged. However, Z. Lin\n et al.\n found that a pair of genes that prevent self-fertilization in poppy can confer the same trait when expressed in\n Arabidopsis.\n This incompatibility was much more like that of poppy than that of incompatible close relatives of\n Arabidopsis.\n Thus, similar long-distance transfer of incompatibility, a trait of interest for plant breeding, may be useful between other distantly related species.\n
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
DOI:10.13304/j.nykjdb.2022.0391
[本文引用: 1]
作物育种正在从传统的经验育种转向BT+IT驱动的智能设计育种。提升智能设计育种的能力和水平对解决我国未来粮食安全问题具有重要意义。未来作物智能设计育种将具有“双轮驱动”特征：智能化的杂交育种以育种大数据和育种模型为基础，精准设计自然变异的最优组合，并以最快捷的杂交组配方式实现自然变异的最优组合；智能化的生物育种利用人工智能技术和合成进化技术，设计DNA/蛋白质序列，可以“道法自然、超越自然”，指导作物的基因编辑育种和合成生物学。探讨了作物智能设计育种范式的理论基础、技术手段和发展趋势，分析了我国作物智能设计育种在产业化过程中面临的市场和政策瓶颈，并提出相关对策。
