這意味著全球農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)面臨巨大壓力！
品種改良和栽培、生產(chǎn)技術(shù)的提升是保障農(nóng)業(yè)和糧食安全的有效途徑，作物產(chǎn)量的提高有50%來自品種的改良。
但栽培、生產(chǎn)技術(shù)對作物產(chǎn)量的提升作用仍受限于作物的品種特性，可見解決以上問題的核心關(guān)鍵在于品種改良，即選育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效的優(yōu)良品種。
根據(jù)育種技術(shù)的發(fā)展階段
將作物育種技術(shù)分為5個時代育種體系
第1代育種技術(shù)（1G）
作物馴化技術(shù)
對作物進(jìn)行馴化大約從1萬年前開始，早期的農(nóng)民并不懂得遺傳多樣性的理論，但是已經(jīng)開始有意識或無意識地在利用其價值對植物進(jìn)行偶然的選擇，他們會選擇在產(chǎn)量或其他性狀表現(xiàn)好的單株作為下一季栽培的種子，并不斷地繁殖下去。
在作物馴化階段，世界范圍內(nèi)主要種植了約7000種作物，為現(xiàn)代栽培品種的培育奠定了遺傳資源基礎(chǔ)，但是這一時期主要通過耕作者對自然變異的肉眼觀察做出主觀判斷，作物改良的進(jìn)展非常緩慢。
第2代育種技術(shù)（2G）
雜交育種
雜交育種始于19世紀(jì)中后期，以1865年為起點，孟德爾在發(fā)現(xiàn)了植物遺傳定律后，數(shù)量遺傳學(xué)理論被建立起來，育種家和專業(yè)的科學(xué)家通過人工雜交的手段，有目的地在選配不同的親本進(jìn)行雜交、自交、回交等，結(jié)合雙親的優(yōu)良性狀培育改良作物品種。
這一階段主要利用了經(jīng)典遺傳理論、統(tǒng)計學(xué)和田間試驗設(shè)計等理論和手段，具有一定的預(yù)見性，但是偶然性大，育種效率低。
第3代育種技術(shù)（3G）
傳統(tǒng)育種
這一時期的育種包括雜種優(yōu)勢育種及主動誘變育種。以1926年先鋒公司雜交玉米種為標(biāo)志，玉米雜種優(yōu)勢和雙雜交種在商業(yè)化上應(yīng)用突出的表現(xiàn)帶動了雜種優(yōu)勢在水稻、高粱、油菜、棉花等其他作物上的運用。1940年，物理、化學(xué)或太空誘變等手段在作物育種上開始應(yīng)用。
雜交育種、雜種優(yōu)勢育種及主動誘變育種這3種相繼出現(xiàn)的育種技術(shù)可被統(tǒng)一歸納為傳統(tǒng)育種，這些育種手段在過去近100年的時間里極大地提高了作物產(chǎn)量，緩解了“人口爆炸”帶來的糧食緊缺問題。
但此階段仍依賴于育種家的經(jīng)驗來選擇好的表型育種材料，且由于傳統(tǒng)育種對于復(fù)雜性狀的選擇有限，因此難以兼顧產(chǎn)量、品質(zhì)及生物脅迫和非生物脅迫的抗耐性。
目前，世界大多數(shù)育種項目仍處在傳統(tǒng)育種（2G和3G）階段；
or
處于從傳統(tǒng)育種（3G）到分子技術(shù)育種（4G）過渡階段。
第4代育種技術(shù)（4G）
分子技術(shù)育種
自20世紀(jì)80年代開始，以轉(zhuǎn)基因、分子標(biāo)記輔助選擇、全基因組選擇、等位基因挖掘等為代表的現(xiàn)代分子技術(shù)手段開始在作物育種上運用。
自1983年第1例轉(zhuǎn)基因植物開始，轉(zhuǎn)基因已經(jīng)發(fā)展成最快、應(yīng)用效率最高的精準(zhǔn)育種技術(shù)之一。在北美地區(qū)，90%以上的玉米、大豆、棉花、甜菜和油菜是轉(zhuǎn)基因品種。分子標(biāo)記輔助選擇是20世紀(jì)80年代興起的DNA標(biāo)記技術(shù)：利用與目標(biāo)基因緊密連鎖或表現(xiàn)共分離的分子標(biāo)記對選擇個體進(jìn)行篩選，從而減少連鎖累贅，獲得目標(biāo)個體。全基因組選擇是近年來動、植物分子育種的全新策略，已成為分子技術(shù)育種熱點和趨勢。其采用覆蓋整個基因組的分子標(biāo)記來捕獲整個基因組上的變異并對育種值進(jìn)行有效預(yù)測。
分子技術(shù)育種是對傳統(tǒng)育種理論和技術(shù)的重大突破。目前，各國對QTL、MAS、GS和基因定位等精準(zhǔn)育種的理論和試驗研究很多，但在實際育種中應(yīng)用十分有限，僅有拜耳-孟山都和科迪華等跨國種業(yè)巨頭的主要作物育種真正處在分子技術(shù)育種（4G）階段。
第五代育種技術(shù)（5G）
智能育種
智能育種（Smart breeding）技術(shù)體系：
利用農(nóng)作物基因型、表型、環(huán)境、遺傳資源（例如水稻上的品種系譜信息）等大數(shù)據(jù)為核心基礎(chǔ)，通過人工生物智能技術(shù)，在實驗室設(shè)計培育出一種適合于特定地理區(qū)域和環(huán)境下的品系品種。而傳統(tǒng)上的大田僅僅作為品種測試和驗證的場所。從而節(jié)省了大量的人力、物力、財力、環(huán)境壓力等資源。智能育種是依托多層面生物技術(shù)和信息技術(shù)，跨學(xué)科、多交叉的一種育種方式。
核心一：基因型大數(shù)據(jù)
基因型數(shù)據(jù)主要來自5種基因技術(shù)利用數(shù)據(jù)，巧合也是5G，但是這個G是技術(shù)，而不是代數(shù)。
主要包括：
1）種質(zhì)資源鑒定 Germplasm characterization
2）基因編輯 Gene editing
基因編輯是應(yīng)用先進(jìn)的基因組學(xué)和分子生物學(xué)工具對功能已知的重要基因序列進(jìn)行定向敲出、單堿基替換、同源區(qū)段替換等操作，創(chuàng)造新的有益遺傳變異，從而實現(xiàn)作物的定向精準(zhǔn)改良，在農(nóng)作物抗病、抗逆性、園藝作物的花色、保存性等農(nóng)業(yè)性狀的改良上發(fā)揮作用。
3）基因功能鑒定 Gene function identification
4）基因組組裝 Genome assembly
5）基因組育種方法 Genomic breeding methodologies
核心二：表現(xiàn)型數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)
表現(xiàn)型大多數(shù)是平?？梢钥吹玫降臇|西，例如水稻上的稻谷大小、米粒長短等。傳統(tǒng)上都是用眼、筆、紙人工測定，但是20世紀(jì)90年代表型數(shù)據(jù)搜集基本已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化階段。
室外主要以衛(wèi)星、飛機、高密度攝像儀高空攝像機、地面小型機器人、紅外儀、紫外儀等；室內(nèi)表型技術(shù)以德國LemnaTec®（全球最大的室內(nèi)室外型植物表型系統(tǒng)）以及原杜邦-陶氏化學(xué)的FAST-CORN®為代表。
核心三：環(huán)境大數(shù)據(jù)
主要包括：
（1）地上部分的數(shù)據(jù)：溫度、相對濕度、降雨量、降雪量、日長、日照強度等。
（2）地面上面的數(shù)據(jù)：病菌（生理小種、群體、分布等）、昆蟲（生物型、群體、分布等）、雜草（類型、群體、分布等）。
（3）地下部分的數(shù)據(jù)：土壤特性（類型、結(jié)構(gòu)、肥力、水分等）、土壤微生物（類型、群體、分布等）。
目前世界上如拜耳-孟山都和科迪華等跨國種業(yè)巨頭基本上能夠?qū)崿F(xiàn)作物性狀調(diào)控基因的快速挖掘與表型的精準(zhǔn)預(yù)測，從而建立智能組合優(yōu)良等位基因的自然變異、人工變異、數(shù)量性狀位點，具有多基因與多性狀聚合的育種設(shè)計方案，實現(xiàn)智能、高效、定向培育新品種。
智能育種的基本技術(shù)路線
智能設(shè)計適合特定環(huán)境的、用于構(gòu)建育種分離群體的雜交組合；
在田間重復(fù)產(chǎn)量測試之前，應(yīng)用基于基因型大數(shù)據(jù)、表型大數(shù)據(jù)、環(huán)境大數(shù)據(jù)已建立和驗證的基因型-表型環(huán)境模型，對優(yōu)異品系和試驗性雜交種的適應(yīng)性、產(chǎn)量、品質(zhì)性狀進(jìn)行大量計算機模擬，模擬在不同環(huán)境條件下的表現(xiàn)和穩(wěn)定性；
對單個個體在同一世代進(jìn)行大規(guī)模、多位點的精準(zhǔn)基因組編輯，同時創(chuàng)造多個優(yōu)異等位基因；
在全基因組水平上對已知的不同位點等位基因的最佳組合進(jìn)行多基因與多性狀的聚合；
培育出像聰明蛋（SmartStack®）玉米品種為代表的真正的高科技農(nóng)作物品種。
深度融合了生命科學(xué)、信息科學(xué)和育種科學(xué)的智能育種是科技發(fā)展帶來的新機遇，預(yù)計在未來10~20年，智能育種發(fā)展的快慢勢必成為種業(yè)核心價值和競爭力的體現(xiàn)。
由傳統(tǒng)育種到分子育種，再到智能育種：
育種的“科學(xué)”成分含量越來越多，而育種的“藝術(shù)”成分含量越來越少；
實驗室基因型分析的個體、品系數(shù)目越來越多，而需要在田間測試的個體、品系數(shù)目越來越少。
可見，育種的預(yù)見性、準(zhǔn)確性、效率越來越高，實現(xiàn)的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益也越來越高。
目前我國大部分作物育種仍然處在傳統(tǒng)育種（2G和3G）階段，僅少部分作物已經(jīng)處于傳統(tǒng)育種（3G）向分子技術(shù)育種（4G）的轉(zhuǎn)變階段，而世界種業(yè)巨頭憑借著雄厚的資本、先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)等優(yōu)勢，已加速朝智能育種（5G）階段邁進(jìn)。
必須緊抓全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命迭代的機遇，整合和引導(dǎo)科技資源及人才向育種5G技術(shù)靠攏，加快原始創(chuàng)新，搶占種業(yè)技術(shù)制高點，確保我國種業(yè)具有持續(xù)競爭力，保障我國糧食安全、食品安全和生態(tài)安全。
5G 時代 未來已來
● 本文選自《5 代（5G）作物育種技術(shù)體系》
● 作者：應(yīng)繼鋒，劉定富，趙健
● 單位：中國水稻研究所，華智生物技術(shù)有限公司，武漢金玉良種科技有限公司
● 刊于《中國種業(yè)》2020年第10期1-3頁 轉(zhuǎn)載請注明
