2025年1月17日，崖州湾国家实验室和华中农业大学联合中国农业大学、中国科学院分子植物科学卓越创新中心、河南农业大学、四川农业大学、美国冷泉港以及德国马普所等国内外多家顶尖科研机构，在《Molecular Plant》期刊发表了题为“Maize2035: A decadal vision for intelligent maize breeding”的前瞻性综述论文，为未来十年的玉米育种描绘了一幅激动人心的蓝图。
该文主要对玉米智能育种提出了两大协同发展方向：一是围绕少数基因对关键性状和特定环境响应的深入机制性研究，基于这些生物学理解进行的智能分子设计；二是几乎不考虑机制性理解，利用规范性大规模数据收集和分析培育精准预测和智能决断系统，提高育种的精准性同时大大提高周期，实现遗传增益的高效率提升。二者充分结合、协同对应不同复杂度的性状，共同开启育种智能化、数字化、精准化的新时代！
玉米育种的辉煌历程：技术和理念不断进步的轨迹
玉米，作为全球最重要的粮食作物之一，其产量提升对保障粮食安全至关重要。同时，玉米育种也具有辉煌的历史，每一次重大理念和技术的革命，都带来单产的阶梯式提升。过去百年，中美两国作为玉米生产的领头羊，单产已提升超越5倍，这得益于育种理念的不断革新。从早期农民的经验选择到公司主导的表型选择，从分子标记辅助育种到如今的全基因组选择，玉米育种经历了四个重要的发展阶段。
然而，我国玉米总产在过去8年仅增加约5%，增产面临严重瓶颈，导致近几年玉米进口量长居2500万吨以上，“卡脖子”问题依旧突出。同时，面对未来人口、耕地和环境等多重挑战，玉米研究者和育种家们亟需新的突破。基于近年来多种生物技术和计算机等领域的革命性科技变革，该综述前瞻性地提出了面向未来的“智能育种”理念，强调响应环境、提升育种精准性和追求效率的重要性，并制定了具体的实施路径。
未来的挑战与机遇 ：多样化需求与五大共性方向
育种目标的选择应以需求为导向，该文首先分析了玉米在不同国家和地区的主要用途差异，将全球主要划分为三种类型：以美国为代表的一些国家将显著量的玉米用作工业碳源（如生物酒精等用途）、以我国为典型的绝大多数区域将玉米用作主要的饲料来源、以及非洲大部分国家依然将玉米用作重要的（直接或加工后的）食用来源（本文图1）。
需求引领方向，但不同用途、不同国情、甚至不同局部区域等差异势必带来玉米多样性的育种目标，在此基础上，本文概括了需要重点关注的五大共性目标性状（High-Five）：高产、高抗、高适应性、高营养（面向人类和畜牧）、高附加值。“五高”的协同实现有赖于植株综合表型的整体优化以及能量和代谢层面的平衡，包括氮利用效率、光合作用和收获指数、碳-氮代谢平衡等方面的协同改良。
图1. 玉米多样化用途的全球概览。
智能育种：理性分子设计与基因组精准预测
面对多层面的育种改良目标，亟需“智能化”来系统性实现多育种目标的快速、协同改良（图1），生物技术与数据科学的有机结合将极大促成这一理念的实现。此部分内容作为本综述的最大着墨点，概括起来包括两精准——围绕重要性状背后少数关键基因和网络的精准分子设计、以及围绕复杂综合性状的精准基因组预测（本文图2）。
具体研究方向包括下述几方面：（1）更深入地揭示变异背后的生物学基础：包括从优良等位基因到分子网络的转变、利用泛基因组捕获更广泛的遗传多样性和功能变异、在更深层次（如单细胞水平）来揭示遗传效应等；（2）基于丰富的生物学理解来指导理性分子设计：包括对调控元件的精准控制、基因组/蛋白/代谢物等的从头设计、对环境响应元件的精准操控等；（3）新型机器/算法/平台的开发促进实现数字化育种：包括大规模自动化的地空协同田间表型收据采集、种质资源库与低成本高效的基因型鉴定、智慧预测模型及通量化大田验证、反馈、再训练等；（4）全基因组学（hologenomics）作为新质生产力代表：上述研究主要针对玉米为对象，全基因组学近年来逐渐兴起，其是将包括动植物以及与之生存的所有微生物作为一个统一整体进行研究的范式。已有前沿性研究表明宿主微生物对植物的生长发育等过程产生重要影响，以生物农药、生物饲料、生物肥料等为代表的农业微生物产业是新质生产力的发展方向之一，也需要作为后续研究的重点。
图2. 智能分子设计（A+B）与智能基因组预测（C），二者（构成细胞融合的形状）相结合可实现玉米整体育种目标的精准、快速、协同改良。
协同创新共筑可持续、具人文关怀农业
正如文章开篇受刘慈欣（高级工程师、科幻作家）《流浪地球》启发而改编的一段话，警示我们气候变化对人类生存的威胁，在各种自然灾害面前，农业是我们唯一与自然讨价还价的筹码，是人类文明生存的基石。实现玉米育种的十年愿景，需要全球科学家、育种家、农民和政策制定者的共同努力。
文章最后在结语中提出了四点愿景：（1）范式转变与深入聚焦，面对新形势下的严峻挑战，我们需要革新自己的思想，转变为系统性思维，相信大数据、系统生物学和智慧育种的潜力；（2）大数据驱动的农业管理，以无人机、人工智能为代表的新型农业管理体系将极大促进农业生产效率的提高；（3）国际/国内多方面的合作，呼吁国际和国内、企业与科研院所在种质资源、开放性共享平台等方面建立广泛的合作；（4）社会影响与经济效益的考量，生产者的动力和消费者的需求对玉米未来发展方向至关重要，未来育种需要消费者和生产者的共同参与。
崖州湾国家实验室玉米基因组育种团队主任科学家刘海军、青年科学家刘杰为本文共同第一作者，华中农业大学严建兵教授为本文通讯作者。崖州湾国家实验室玉米基因组育种团队首席科学家王海洋教授、高级科学家张祖新教授、博士后翟志文，华中农业大学代明球教授，中国农业大学徐明良教授、秦峰教授、杨小红教授、田丰教授，中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中国科学院上海植物生理生态研究所巫永睿研究员，河南农业大学汤继华教授，四川农业大学卢艳丽教授，美国冷泉港David Jackson教授，德国马普所Alisdair R. Fernie教授，均参与了本文框架的讨论、写作和修改。同时感谢华中农大郑蕾同学在制图过程中的鼎力支持、崖州湾国家实验室贾安强博士在数据统计中的无私贡献。在崖州湾国家实验室大力支持之外，该工作还得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖北省科技厅重大项目及111计划等基金的资助。
2025年1月17日本文（Pre-proof版本）上线，正值崖州湾实验室年会热闹进行。新年新气象，借此机会向依然奋斗在南繁一线的同行们致敬，愿大家新年都有好收成！
转载来源：Zea Eureka
