本文于2024年11月15日发表于《科学通报》
粮食安全一直是世界人口增长面临的最严峻挑战。1927年世界人口首次达到20亿，2022年突破80亿。在这100年人口的快速增长背后，育种技术的快速发展以及作物单产的大幅提高起到了决定性的支撑作用。根据联合国数据，预计2050年世界人口将达到97亿，现有粮食增长率将无法满足人口增长的需求，亟需下一代的育种革命进一步提升粮食产量，那么下一代育种技术核心是什么呢？
纵观作物育种技术发展史，基础研究的发展与科学技术的进步推动了育种技术的世代演进，可以主要分为四个世代（图1）：
育种1.0“驯化选育”：始于新石器时代，人类通过长期选择和积累自然变异，以驯化综合征为目标，将野生物种逐渐驯化为栽培品种，使植物落粒性降低、直立生长、种子休眠性降低等。
育种2.0“杂交育种”：基于遗传学和统计学的建立，育种者通过杂交选育，将双亲的优良性状聚合在后代中。例如，“绿色革命”期间，通过矮秆品种与高产品种的杂交，培育出高产矮秆品种，同时开发杂交玉米和杂交水稻技术，显著提高水稻、小麦和玉米产量，保障了粮食安全。
育种3.0“分子育种”：在DNA结构发现后，利用辐射和化学诱变、转基因技术以及分子标记辅助育种，增加遗传多样性并定向引入目标基因。抗虫棉花、抗除草剂大豆和抗白叶枯水稻等新品种的培育，有效提升了农业生产效率并减少病虫害损失。
育种4.0“设计育种”：基于作物参考基因组、主效基因克隆与自然群体变异解析，明确农艺性状的分子机制，通过基因组合设计和全基因组选择，大幅提高育种效率和精确性。例如，新“绿色革命”基因IPA1的克隆与应用实现了矮秆杂交水稻的进一步增产，并协同改良高产与优质性状，解决了“优质不高产”的难题。
图1. 基础研究的发展推动育种技术的世代演进
李家洋院士提出“智能作物的智能培育”是未来育种5.0世代的特征与关键。“智能作物的智能培育”是指通过发展和使用智能的技术培育智能的品种，主要包含两方面的内涵：
第一是“智能品种”，指能够自主应对环境变化的作物品种，可以根据外界环境的变化，启动与之相应的分子调控通路，从而使得作物能够抵抗生物胁迫以及未来气候变化带来的非生物胁迫，在不同的发育阶段最优化的动态调整株型，提升光能、肥料、水等农业资源的利用效率，实现作物能量转化利用的动态调控以及在生长与抗性之间的协同优化，增加粮食产量，提高食物食味与营养品质，减少化肥农药等农业资源的使用，减少自然灾害损失，从而实现“两增两减”的育种目标（图2）。
第二是“智能培育”，指发展与利用不断发展的前沿生物技术以及信息技术，BT与AI融合，通过性状组、泛基因组、蛋白质修饰组、新型遗传资源创制、野生遗传资源挖掘利用，解析重要性状形成的分子机制与多性状协同调控的分子网络，利用新型传感器与信息技术，建立大规模作物信息数据库，对作物发育过程进行建模，对基因和蛋白质的结构、网络和功能进行预测，利用人工智能算法构建模型，实现对作物表型的精准预测，根据“两增两减”的育种需求，改造设计并创造新型蛋白质、基因调控元件、调控网络以及基因组合，将基因编辑、染色体工程、倍性技术、细胞器基因组编辑、快速育种技术、合成生物学、野生植物从头驯化、植物物质交互与操控等新技术与前四个世代的育种技术有机结合，大幅提升育种效率，进而实现培育智能品种的目标。
图2. “两增两减”是智能品种培育的核心目标
种子是农业的芯片。若要真正实现“智能品种智能培育”的设想，迈向育种5.0，仍需多方面的努力。
一是不同作物的生长发育及生产模式不同，育种需求也存在差异，回顾前四个育种世代，不同作物的育种历程既有共性也有个性。同时，不同作物的研究基础与发展阶段也不一样，这些都需要针对性的开展研究。
二是农业科学研究受限于作物的生长周期，科研周期较长，同时农业的创新链条很长，要完整的实现从理论创新到品种突破，需要冷板凳精神、长期稳定支持和新型科研组织模式。
三是作物表型是遗传信息与外界环境互作产生的复杂结果，但表型数据获取周期长成本高，高质量表型数据积累困难，需要在不同的地理位置和环境条件下针对性的开展研究。
四是新的育种体系需要生物技术与信息技术融合，需要建立跨领域的合作模式与机制，培养复合型的新型种业人才和研究团队，支撑学科交叉与原始创新。
五是要注重生物安全，生物技术日新月异，可以通过开辟生物安全实验区，建立完善的审定推广管理体系等方式，将新技术优势利用在未来作物育种中。同时，育种5.0的发展一定是与前四个世代的育种技术进行有机的组合和交融，从而高效培育出下一代“两增两减”优异新品种，保障世界粮食安全。
李家洋，1956年7月出生于安徽省肥西县，1981年毕业于安徽农学院（现安徽农业大学），1991年获得美国布兰代斯大学博士学位。著名植物分子遗传学家，是中国科学院院士、美国国家科学院外籍院士、德国科学院院士、英国皇家学会外籍院士 、发展中国家科学院院士、国际欧亚科学院院士、欧洲分子生物学组织外籍成员、美国植物生物学家协会终身会员。
李家洋主要从事植物分子遗传学研究，主要研究植物激素的合成途径与作用机理，着重于阐明高等植物株型形成的分子机理，并致力于水稻的分子品种设计，培育高产、优质、多抗、高效的水稻新品种。
现任第十四届全国政协常委、农业和农村委员会委员，崖州湾国家实验室主任
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