一、玉米種質(zhì)改良的重要性與背景：傳統(tǒng)種質(zhì)資源改良，尤其是通過輪回選擇進(jìn)行的群體改良，仍然是作物改良的重要手段。盡管分子育種技術(shù)不斷發(fā)展，但這種通過選擇、重組與評(píng)估的循環(huán)過程，能夠逐步提高有利等位基因的頻率，增強(qiáng)群體整體表現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)種質(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。
玉米在遺傳多樣性和優(yōu)良性能之間發(fā)揮著關(guān)鍵橋梁作用，尤其在復(fù)雜性狀如產(chǎn)量和抗逆性方面。這些性狀受多基因遺傳和環(huán)境因素影響，因此需要豐富的遺傳基礎(chǔ)作為支撐。目前，玉米在全球廣泛種植，但在適應(yīng)區(qū)域如美國(guó)，高強(qiáng)度選擇已導(dǎo)致遺傳基礎(chǔ)縮小，大多數(shù)商品品種源自有限的親本。這一遺傳瓶頸限制了玉米對(duì)病害、干旱和高溫等新挑戰(zhàn)的適應(yīng)能力。
二、玉米種質(zhì)改良的成功案例：玉米因其雌雄同株、異花授粉、易于雜交、遺傳多樣性廣泛以及雜種優(yōu)勢(shì)顯著等特性，成為群體改良中最為成功的作物之一。通過長(zhǎng)期的種質(zhì)改良實(shí)踐，多個(gè)項(xiàng)目展示了擴(kuò)大遺傳基礎(chǔ)對(duì)提升玉米品種性能的重要價(jià)值。
伊利諾伊長(zhǎng)期選擇實(shí)驗(yàn)是玉米遺傳學(xué)中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、成效顯著的性狀改良項(xiàng)目之一，專注于籽粒蛋白質(zhì)和油脂含量的提升（Moose等，2004）。經(jīng)過100多個(gè)輪回選擇，該項(xiàng)目培育出多種具有極端籽粒成分和相關(guān)性狀的群體。通過基因組工具對(duì)這些資源進(jìn)行研究，不僅有助于發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵基因，還能深入分析選擇反應(yīng)，理解數(shù)量性狀的遺傳結(jié)構(gòu)，并探索遺傳變異的潛在價(jià)值。
美國(guó)的BSSS群體（依阿華堅(jiān)稈綜合種）則是通過系統(tǒng)性改良形成的高產(chǎn)、抗倒伏基礎(chǔ)群體，其經(jīng)驗(yàn)為全球玉米育種提供了重要參考。該群體起源于20世紀(jì)初的雜交育種實(shí)踐，經(jīng)過多代輪回選擇，逐步優(yōu)化遺傳結(jié)構(gòu)，提高群體整體性能。在改良過程中，注重遺傳多樣性與雜種優(yōu)勢(shì)的結(jié)合，引入不同來源的種質(zhì)資源，增強(qiáng)適應(yīng)性與穩(wěn)定性。同時(shí)，采用表型與基因型相結(jié)合的選育策略，提升選擇效率。BSSS群體在抗倒伏、抗病和產(chǎn)量方面表現(xiàn)突出，成為美國(guó)玉米育種的重要基礎(chǔ)，其成功經(jīng)驗(yàn)表明，持續(xù)的群體改良有助于釋放遺傳潛力，為分子育種提供豐富材料。
拉丁美洲玉米項(xiàng)目（LAMP）系統(tǒng)評(píng)估了數(shù)千個(gè)地方品種，篩選出優(yōu)良種質(zhì)，并為全球建立了核心種質(zhì)庫（Salhuana和Pollak，2006）。隨后，玉米種質(zhì)改良項(xiàng)目將熱帶和亞熱帶種質(zhì)引入美國(guó)育種體系，進(jìn)一步豐富了遺傳資源。
美國(guó)種質(zhì)擴(kuò)增計(jì)劃（GEM）則通過引入野生玉米和地方品種的遺傳資源，擴(kuò)大現(xiàn)代玉米育種材料的遺傳基礎(chǔ)。該計(jì)劃系統(tǒng)收集和評(píng)估多樣化種質(zhì)，篩選優(yōu)良性狀，并將其整合到現(xiàn)代育種群體中，提升玉米的適應(yīng)性和抗逆性。GEM強(qiáng)調(diào)利用分子標(biāo)記和基因組選擇技術(shù)，提高種質(zhì)利用效率，為玉米遺傳改良提供豐富的基因庫，增強(qiáng)其應(yīng)對(duì)氣候變化和病蟲害的能力，推動(dòng)可持續(xù)玉米生產(chǎn)。
泰國(guó)卡塞薩特大學(xué)自20世紀(jì)60年代起，從36個(gè)種質(zhì)中培育出Suwan群體，經(jīng)過17個(gè)輪回改良的Suwan 1品種已成為亞洲和美洲育種計(jì)劃中的重要資源。同樣，中國(guó)育種者在過去幾十年中也開展多項(xiàng)群體改良項(xiàng)目，但由于資源和技術(shù)限制，這些項(xiàng)目在持續(xù)性和影響力上受到一定制約。
三、GAIN計(jì)劃的提出與技術(shù)支撐：面對(duì)玉米消費(fèi)量上升和可耕地減少帶來的供需矛盾，中國(guó)亟需提高玉米產(chǎn)量，保障糧食安全。傳統(tǒng)的群體改良方法在這一過程中具有不可替代的作用。然而，當(dāng)前中國(guó)對(duì)引進(jìn)種質(zhì)的依賴和商品雜交種的廣泛應(yīng)用，使得遺傳基礎(chǔ)趨于狹窄，削弱了玉米的適應(yīng)能力和抗逆性。
受國(guó)際成功項(xiàng)目如BSSS、LAMP、GEM、SUwan1和玉米種質(zhì)改良的啟發(fā)，GAIN（Germplasm Advancement and Innovation Network）計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。該計(jì)劃旨在通過發(fā)展基礎(chǔ)種質(zhì)，應(yīng)對(duì)遺傳多樣性不足的問題，為后續(xù)育種工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
GAIN計(jì)劃采用多輪策略，改良兩個(gè)不同基礎(chǔ)群體：高產(chǎn)群體和高抗群體。這些群體設(shè)計(jì)用于最大程度發(fā)揮雜種優(yōu)勢(shì)，其來源包括超過200個(gè)多樣化優(yōu)質(zhì)自交系，涵蓋不同地區(qū)和育種計(jì)劃，且包含外來熱帶種質(zhì)的等位基因。
四、GAIN計(jì)劃的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑：GAIN計(jì)劃結(jié)合基因組學(xué)、高通量表型分析、基因編輯和數(shù)據(jù)科學(xué)，構(gòu)建了一個(gè)高效、精準(zhǔn)的種質(zhì)改良體系。具體技術(shù)包括：
1.高通量雙單倍體（DH）生產(chǎn) 利用自動(dòng)化籽粒顏色選擇平臺(tái)，快速獲得純合系，縮短育種周期，提升遺傳變異探索效率。
2.低成本基因型分析 定制基因芯片用于功能基因和全基因組變異的標(biāo)記分析，提高選擇效率和遺傳多樣性管理能力。
3.多維度表型分析 通過無人機(jī)、成像設(shè)備、機(jī)械化收獲系統(tǒng)和室內(nèi)儀器，全面收集植株結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量和生理表型數(shù)據(jù)。
4.精準(zhǔn)基因編輯 基因編輯技術(shù)用于快速引入和改良特定等位基因，提升育種目標(biāo)性狀的精準(zhǔn)度。
5.高效數(shù)據(jù)整合與分析 所有數(shù)據(jù)整合至統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，結(jié)合基因組選擇模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的育種決策。
通過這些技術(shù)手段，GAIN實(shí)現(xiàn)了對(duì)遺傳變異的精準(zhǔn)捕捉與利用，顯著提升了種質(zhì)改良效率。
五、GAIN計(jì)劃的改良策略與流程：GAIN計(jì)劃采用兩種主要改良方法，形成協(xié)同效應(yīng)：
1.隨機(jī)交配與DH系生產(chǎn) 在每個(gè)群體中進(jìn)行至少五代隨機(jī)交配，促進(jìn)廣泛重組。隨后通過DH技術(shù)快速產(chǎn)生純合系，捕捉多樣化的遺傳變異。這些系及其測(cè)交雜交種會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格表型和基因型分析，為模型訓(xùn)練和精準(zhǔn)選擇提供數(shù)據(jù)支持。
2.傳統(tǒng)輪回選擇 在DH系培育的同時(shí)，從C0-2代開始應(yīng)用傳統(tǒng)輪回選擇。該方法基于個(gè)體和測(cè)交表現(xiàn)，持續(xù)提升群體性能。高通量分析為理解選擇反應(yīng)和遺傳增益提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也為模型驗(yàn)證提供了資源。
表現(xiàn)優(yōu)異的系將作為下一輪親本，形成持續(xù)改良的閉環(huán)。結(jié)合基因編輯技術(shù)，GAIN能夠快速創(chuàng)制新遺傳變異，提升育種材料的多樣性。
六、GAIN計(jì)劃的目標(biāo)與實(shí)施階段：GAIN計(jì)劃是一項(xiàng)為期12年（2024–2035）的長(zhǎng)期項(xiàng)目，涵蓋四個(gè)連續(xù)的改良輪回，每輪約3年。其主要目標(biāo)包括：
1.建立新模式 項(xiàng)目通過基因組育種技術(shù)，構(gòu)建高效改良流程，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)每輪5%左右的產(chǎn)量提升，支持2035年的產(chǎn)量增長(zhǎng)目標(biāo)。
2.提升遺傳多樣性 系統(tǒng)評(píng)估多樣化種質(zhì)，并引入外來優(yōu)良性狀，增強(qiáng)遺傳基礎(chǔ)。
3.改良優(yōu)質(zhì)種質(zhì) 利用輪回選擇和分子輔助選擇，系統(tǒng)優(yōu)化關(guān)鍵性狀，確保數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化與互通。
4.促進(jìn)種質(zhì)共享 建立公共資源平臺(tái)，推動(dòng)改良種質(zhì)與數(shù)據(jù)的共享，提高科研與育種效率。
5.理解遺傳增益 解析產(chǎn)量、抗逆性和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等性狀的遺傳結(jié)構(gòu)，量化各輪次的遺傳增益。
6.開發(fā)智能化育種平臺(tái) 整合基因組、表型和環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合先進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與育種決策。
七、GAIN計(jì)劃的實(shí)施進(jìn)展：目前，GAIN計(jì)劃已從C0-3代開始首輪輪回選擇和DH創(chuàng)制。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從國(guó)內(nèi)外優(yōu)良種質(zhì)中，通過系譜分析、雜種優(yōu)勢(shì)群分析和主成分分析，篩選出60份優(yōu)質(zhì)自交系，分別組成30份親本，按鏈?zhǔn)诫s交方法配制出45個(gè)雜交組合，并進(jìn)行了三次隨機(jī)交配，最終形成崖州灣1號(hào)C03和崖州灣2號(hào)C03。
在首輪輪回選擇階段，采用兩種方法同步推進(jìn)：
一種是傳統(tǒng)輪回選擇，通過測(cè)驗(yàn)種測(cè)交、鑒定、中選果穗重組，已完成一輪改良，形成崖州灣1號(hào)C1和崖州灣2號(hào)C1。中選果穗還用于DH系生產(chǎn)，支持雜交種選育。
另一種是通過DH系生產(chǎn)，結(jié)合全基因組選擇，篩選優(yōu)良DH系進(jìn)行重組，形成改良群體，進(jìn)入下一輪。2026年將啟動(dòng)第二輪選擇，進(jìn)一步提升群體性能。
八、GAIN計(jì)劃的人才培養(yǎng)與未來展望：除了種質(zhì)創(chuàng)新，GAIN計(jì)劃也重視人才建設(shè)。項(xiàng)目為年輕科學(xué)家和育種者提供培訓(xùn)與指導(dǎo)，致力于培養(yǎng)新一代玉米改良專家。這種能力建設(shè)對(duì)確保玉米育種計(jì)劃的長(zhǎng)期可持續(xù)性具有重要意義。
GAIN計(jì)劃的啟動(dòng)標(biāo)志著中國(guó)玉米育種進(jìn)入智能化、精準(zhǔn)化的新階段。通過擴(kuò)大遺傳基礎(chǔ)、提升育種效率和推動(dòng)資源共享，GAIN將為未來玉米品種的持續(xù)改良奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，助力中國(guó)糧食安全與可持續(xù)發(fā)展。
