近日，崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、美國(guó)冷泉港以及德國(guó)馬普所等國(guó)內(nèi)外多家頂尖科研機(jī)構(gòu)，在Molecular Plant期刊發(fā)表了題為“Maize2035: A decadal vision for intelligent maize breeding”的前瞻性綜述論文，為未來(lái)十年的玉米育種描繪了一幅激動(dòng)人心的藍(lán)圖。該文主要對(duì)玉米智能育種提出了兩大協(xié)同發(fā)展方向：一是圍繞少數(shù)基因?qū)﹃P(guān)鍵性狀和特定環(huán)境響應(yīng)的深入機(jī)制性研究，基于這些生物學(xué)理解進(jìn)行的智能分子設(shè)計(jì)；二是幾乎不考慮機(jī)制性理解，利用規(guī)范性大規(guī)模數(shù)據(jù)收集和分析培育精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和智能決斷系統(tǒng)，提高育種的精準(zhǔn)性同時(shí)大大提高周期，實(shí)現(xiàn)遺傳增益的高效率提升。二者充分結(jié)合、協(xié)同對(duì)應(yīng)不同復(fù)雜度的性狀，共同開(kāi)啟育種智能化、數(shù)字化、精準(zhǔn)化的新時(shí)代！

https://doi.org/10.1016/j.molp.2025.01.012

      玉米育種的輝煌歷程：技術(shù)和理念不斷進(jìn)步的軌跡

      玉米，作為全球最重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量提升對(duì)保障糧食安全至關(guān)重要。同時(shí)，玉米育種也具有輝煌的歷史，每一次重大理念和技術(shù)的革命，都帶來(lái)單產(chǎn)的階梯式提升。過(guò)去百年，中美兩國(guó)作為玉米生產(chǎn)的領(lǐng)頭羊，單產(chǎn)已提升超越5倍，這得益于育種理念的不斷革新。從早期農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)選擇到公司主導(dǎo)的表型選擇，從分子標(biāo)記輔助育種到如今的全基因組選擇，玉米育種經(jīng)歷了四個(gè)重要的發(fā)展階段。然而，我國(guó)玉米總產(chǎn)在過(guò)去8年僅增加約5%，增產(chǎn)面臨嚴(yán)重瓶頸，導(dǎo)致近幾年玉米進(jìn)口量長(zhǎng)居2500萬(wàn)噸以上，“卡脖子”問(wèn)題依舊突出。同時(shí)，面對(duì)未來(lái)人口、耕地和環(huán)境等多重挑戰(zhàn)，玉米研究者和育種家們亟需新的突破?；诮陙?lái)多種生物技術(shù)和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的革命性科技變革，該綜述前瞻性地提出了面向未來(lái)的“智能育種”理念，強(qiáng)調(diào)響應(yīng)環(huán)境、提升育種精準(zhǔn)性和追求效率的重要性，并制定了具體的實(shí)施路徑。

      未來(lái)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇 ：多樣化需求與五大共性方向

      育種目標(biāo)的選擇應(yīng)以需求為導(dǎo)向，該文首先分析了玉米在不同國(guó)家和地區(qū)的主要用途差異，將全球主要?jiǎng)澐譃槿N類型：以美國(guó)為代表的一些國(guó)家將顯著量的玉米用作工業(yè)碳源（如生物酒精等用途）、以我國(guó)為典型的絕大多數(shù)區(qū)域?qū)⒂衩子米髦饕娘暳蟻?lái)源、以及非洲大部分國(guó)家依然將玉米用作重要的（直接或加工后的）食用來(lái)源（本文圖1）。需求引領(lǐng)方向，但不同用途、不同國(guó)情、甚至不同局部區(qū)域等差異勢(shì)必帶來(lái)玉米多樣性的育種目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，本文概括了需要重點(diǎn)關(guān)注的五大共性目標(biāo)性狀（High-Five）：高產(chǎn)、高抗、高適應(yīng)性、高營(yíng)養(yǎng)（面向人類和畜牧）、高附加值。“五高”的協(xié)同實(shí)現(xiàn)有賴于植株綜合表型的整體優(yōu)化以及能量和代謝層面的平衡，包括氮利用效率、光合作用和收獲指數(shù)、碳-氮代謝平衡等方面的協(xié)同改良。

 圖1.  玉米多樣化用途的全球概覽。

      智能育種：理性分子設(shè)計(jì)與基因組精準(zhǔn)預(yù)測(cè)

      面對(duì)多層面的育種改良目標(biāo)，亟需“智能化”來(lái)系統(tǒng)性實(shí)現(xiàn)多育種目標(biāo)的快速、協(xié)同改良（圖1），生物技術(shù)與數(shù)據(jù)科學(xué)的有機(jī)結(jié)合將極大促成這一理念的實(shí)現(xiàn)。此部分內(nèi)容作為本綜述的最大著墨點(diǎn)，概括起來(lái)包括兩精準(zhǔn)——圍繞重要性狀背后少數(shù)關(guān)鍵基因和網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)、以及圍繞復(fù)雜綜合性狀的精準(zhǔn)基因組預(yù)測(cè)（本文圖2）。具體研究方向包括下述幾方面：

      （1）更深入地揭示變異背后的生物學(xué)基礎(chǔ)：包括從優(yōu)良等位基因到分子網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變、利用泛基因組捕獲更廣泛的遺傳多樣性和功能變異、在更深層次（如單細(xì)胞水平）來(lái)揭示遺傳效應(yīng)等；

      （2）基于豐富的生物學(xué)理解來(lái)指導(dǎo)理性分子設(shè)計(jì)：包括對(duì)調(diào)控元件的精準(zhǔn)控制、基因組/蛋白/代謝物等的從頭設(shè)計(jì)、對(duì)環(huán)境響應(yīng)元件的精準(zhǔn)操控等；

      （3）新型機(jī)器/算法/平臺(tái)的開(kāi)發(fā)促進(jìn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化育種：包括大規(guī)模自動(dòng)化的地空協(xié)同田間表型收據(jù)采集、種質(zhì)資源庫(kù)與低成本高效的基因型鑒定、智慧預(yù)測(cè)模型及通量化大田驗(yàn)證、反饋、再訓(xùn)練等；

      （4）全基因組學(xué)（hologenomics）作為新質(zhì)生產(chǎn)力代表：上述研究主要針對(duì)玉米為對(duì)象，全基因組學(xué)近年來(lái)逐漸興起，其是將包括動(dòng)植物以及與之生存的所有微生物作為一個(gè)統(tǒng)一整體進(jìn)行研究的范式。已有前沿性研究表明宿主微生物對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育等過(guò)程產(chǎn)生重要影響，以生物農(nóng)藥、生物飼料、生物肥料等為代表的農(nóng)業(yè)微生物產(chǎn)業(yè)是新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展方向之一，也需要作為后續(xù)研究的重點(diǎn)。

      圖2.  智能分子設(shè)計(jì)（A+B）與智能基因組預(yù)測(cè)（C），二者（構(gòu)成細(xì)胞融合的形狀）相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)玉米整體育種目標(biāo)的精準(zhǔn)、快速、協(xié)同改良。

      協(xié)同創(chuàng)新共筑可持續(xù)、具人文關(guān)懷的農(nóng)業(yè)

      正如文章開(kāi)篇受劉慈欣（高級(jí)工程師、科幻作家）《流浪地球》啟發(fā)而改編的一段話，警示我們氣候變化對(duì)人類生存的威脅，在各種自然災(zāi)害面前，農(nóng)業(yè)是我們唯一與自然討價(jià)還價(jià)的籌碼，是人類文明生存的基石。實(shí)現(xiàn)玉米育種的十年愿景，需要全球科學(xué)家、育種家、農(nóng)民和政策制定者的共同努力。

      文章最后在結(jié)語(yǔ)中提出了四點(diǎn)愿景：（1）范式轉(zhuǎn)變與深入聚焦，面對(duì)新形勢(shì)下的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我們需要革新自己的思想，轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)性思維，相信大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)生物學(xué)和智慧育種的潛力；（2）大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)管理，以無(wú)人機(jī)、人工智能為代表的新型農(nóng)業(yè)管理體系將極大促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高；（3）國(guó)際/國(guó)內(nèi)多方面的合作，呼吁國(guó)際和國(guó)內(nèi)、企業(yè)與科研院所在種質(zhì)資源、開(kāi)放性共享平臺(tái)等方面建立廣泛的合作；（4）社會(huì)影響與經(jīng)濟(jì)效益的考量，生產(chǎn)者的動(dòng)力和消費(fèi)者的需求對(duì)玉米未來(lái)發(fā)展方向至關(guān)重要，未來(lái)育種需要消費(fèi)者和生產(chǎn)者的共同參與。

      崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室玉米基因組育種團(tuán)隊(duì)主任科學(xué)家劉海軍、青年科學(xué)家劉杰為本文共同第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵教授為本文通訊作者。崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室玉米基因組育種團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家王海洋教授、高級(jí)科學(xué)家張祖新教授、博士后翟志文，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)代明球教授，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)徐明良教授、秦峰教授、楊小紅教授、田豐教授，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所巫永睿研究員，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)湯繼華教授，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)盧艷麗教授，美國(guó)冷泉港David Jackson教授，德國(guó)馬普所Alisdair R. Fernie教授，均參與了本文框架的討論、寫(xiě)作和修改。同時(shí)感謝華中農(nóng)大鄭蕾同學(xué)在制圖過(guò)程中的鼎力支持、崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室賈安強(qiáng)博士在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中的無(wú)私貢獻(xiàn)。在崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室大力支持之外，該工作還得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、湖北省科技廳重大項(xiàng)目及111計(jì)劃等基金的資助。