各位老师大家好，我是河南农业大学吴建宇教授课题组的周子键，主要从事玉米抗性分子育种工作，今天由我代表“十全十美”小组值日，我们小组的成员有张建国老师（组长）、王俊强老师、何长安老师、周传利老师、杜永春老师、吕香玲老师、王军老师、冯发强老师、孙海潮老师、王多彬老师、王秀凤老师、袁亮老师和我。
国家近年来一直在推进生物育种产业化工作。然而，育种单位如何从传统育种转型到生物育种，以及分子育种等先进技术如何与传统育种流程有机结合，目前来说仍没有一个定论。
本人长期从事玉米抗病基因挖掘与利用方向的研究，目前也在学校承担“现代生物育种”课程的教学任务，对生物育种的主要技术有一些积累和了解。在加入南北学院大家庭后，有幸与各位育种大家交流与合作，对生物育种的产业化现状有了进一步的认识。
今天，我想借值日之机，将自己对传统育种与生物育种先进技术如何结合的思考，和各位同仁进行交流分享。
一、基于育种基本原理剖析传统育种及生物育种的关键技术，目前我国的生物育种产业化还在起步和发展阶段，新兴的生物育种技术往往依托单独的技术服务公司并各自独立使用。例如，双单倍体诱导（DH）公司只做单倍体诱导，不考虑DH系的筛选困难问题；性状公司只做性状导入，却不能很好的评估农艺性状和配合力的改变等。不同育种技术的割裂，导致了育种的成本提升、周期延长等问题，影响了我国的生物育种产业化推进进程。
那么，如何将这些不同的育种方法有机融合到一个通用育种流程之中呢？我认为，首先必须从本质上分析这些育种技术的作用和原理。
育种的本质可以简单概括为：“创造变异、选择变异、固定变异”，因此所有的育种相关技术都可以归类到这三个范围内。
以传统的杂交育种流程为例：杂交是通过遗传物质的交换重组来“创造变异”；依据性状在后代分离群体中选择优良单株和株系的过程，属于“选择变异”；而通过逐代自交最终获得纯系，则属于“固定变异”的范畴。
同样的，诱变育种也是类似的流程，区别仅在于最初的“创造变异”是通过基因诱变而非遗传物质的重组产生。
那么，我们可以对不同时代出现的关键育种技术进行分类和解析:
1、“创造变异”技术
自然变异（育种1.0）：是祖先最初驯化作物时所选择的变异，效率低下且不可控。
人工诱变（育种2.0）：可以创造新基因，效率较高但不可控，负向变异概率大于正向变异。
杂交育种设计（育种2.0）：通过基因的交换重组产生变异，是最常用的育种技术手段。
转基因事件开发（育种3.0）：人工添加功能基因，变异定向，来源广泛，但政策有门槛。
基因编辑（育种4.0）：人工修饰作物自身基因，定向精准，安全风险较转基因小。
2、“选择变异”技术
性状观察（育种1.0）：对明显的质量、半质量性状进行观察筛选，自古以来。
试验统计（育种2.0）：通过合理地田间试验设计与数据统计，科学比较性状差异。
分子标记辅助选择（育种3.0）：MAS，通过分子标记检测主效基因基因型，代替表型辅助材料的筛选淘汰。
转基因性状转育（育种3.0）：由于安全证书政策，大多数育种家的转基因育种工作仅是导入现有转基因事件，重在性状选择，此过程与MAS类似，因此个人认为应与转基因事件开发进行区分。
基因组选择（育种4.0）：GS，通过对覆盖基因组的大量标记基因型检测，预测材料可能的性状表现，辅助材料筛选淘汰。
3、“固定变异”技术
单穗传（育种1.0）：老祖宗驯化作物时就使用，纯化效率慢。
逐代自交（育种2.0）：最常用，自交四代以上，理论纯度将达到95%以上。
双单倍体（育种3.0）：通过诱导单倍体再加倍的方法，快速获得纯系，极大地节省纯化时间。缺点是缺少逐代自交过程中的逐代选择过程，导致大量无用材料的产生，有效筛选较为困难且工作量大。
二、玉米传统育种及现阶段生物育种模式的流程解析:在较长的一段时间内，生物育种仍不能完全代替传统育种。
一个优良的品种具有数十个优良性状作为支撑，上千个关键基因为其提供贡献。而人类目前从头设计基因组最大也仅完成细菌染色体水平，很显然对有限基因的操作和选择，无法满足作物育种大量优良性状设计的需求。
因此，传统育种的作用是不可替代的。要实现生物育种产业化，就必须将生物育种先进技术作为“0”，附加在传统育种的“1”之后来产生更高的效率。
那么，要将生物育种先进技术附加在传统育种上，就必须先对传统育种的流程进行解析，以便找到生物育种技术可以有机结合的位置。
以玉米传统育种流程为例，大体可以概括为以下五个步骤：杂交方案设计（“创造变异”）——选单株和株行（“选择变异”）——获得高代系（“固定变异”）——测配（也可视为新一轮基于遗传物质重新组合的“创造变异”）——品种比较试验（也可视为“选择变异”）。
图1 玉米传统杂交育种流程
整体看来，玉米的传统杂交育种流程，其实相当于分为 “自交系选育”和“杂种优势利用”共两轮的变异“创造-选择”过程。
由于这两轮过程中，只有选系这一过程用到了“固定变异”技术。因此，双单倍体技术与传统育种流程的结合方式较为明确，即使用其替代逐代自交过程用于“固定变异”。由于双单倍体技术获得纯系的速度过快，直接用于F1诱导DH时，“固定变异”甚至提前于“选择变异”完成。
近年来，转基因回交转育及性状分子改良公司逐渐增多。然而这些分子育种流程基本是独立于传统育种流程之外的，多用于现有亲本材料的改良。这种改良工作通常需要进行回交，拿到BC3F2之后获得改良自交系，因此又增加了5-6个世代的育种周期。同时，回交转育过程中会携带供体材料目标位点附近的连锁染色体区段，必然会导入非目标基因，这就可能对其他农艺性状及配合力产生影响，因此育种家必须重新对改良材料进行一定程度的选择。这就相当于在原本的育种流程中加入了第三轮变异“创造-选择”过程，效率较为低下。
图2 现阶段玉米传统育种与生物育种技术的结合方式
三、全面推进生物育种产业化面临的关键问题及对策:要全面实现生物育种的产业化，本人认为需要解决以下几个问题：
1、基因组选择（GS）技术的合理使用
基因组选择技术可以通过分布在基因组的大量标记预测微效多基因控制的数量性状表型，是分子标记辅助选择技术的有效补充。目前国内对基因组选择方法的研究很多，然而基因组选择仍没有被产业所广泛使用，我认为主要原因有两点。
首先，基因组选择的成本不能得到很好的控制。企业育种要讲效益，如果基因型检测的成本比雇佣更多工人调查性状的成本更大，那么通过基因组选择来辅助材料筛选就很难推广应用。
其次，基因组选择模型预测的准确度。基因组选择预测表型与实际表型出入较大，使得育种家难以信赖其结果。这种准确性不足不仅来自于模型和算法，更多则受表型准确度和初始标记选择的影响。
如果育种企业花了比人工调查更多的钱，却得不到准确的表型预测结果，那自然是没有人愿意当“先进技术”的冤大头。
针对这两方面的问题，我认为可以从以下几个策略解决:
1）优先针对部分性状进行基因组选择
对于存在主基因或主效位点控制的性状，利用分子标记辅助选择（MAS）具有更高的准确性和更低的成本，没有必要进行基因组选择。
产量、株型等重要数量性状，遗传因素复杂，但田间调查较为容易。这类性状遗传力较低，遗传变异本就解释总变异的不到50%，再准确地模型也难以达到很高的预测效率。而且这类性状比较重要且调查流程比较清晰，大田调查统计本就是育种中的必须环节，再进行基因组选择具有一定的重复性，所以基因组选择的优先级也不高。
对于缺乏主效位点且大田鉴定困难的数量性状，基因组选择工作是较为具有意义的。例如穗腐病、高温抗性等生产上的重要性状，本身没有主效基因克隆的报道，难以进行高效的分子标记辅助选择；同时，由于性状发生依赖环境甚至人工接种，田间表型鉴定困难且难以准确。对于这些MAS及大田性状调查都较为困难的重要性状，基因组选择的预测结果将是材料筛选的补充依据，在将来的生物育种流程中也许会成为必须步骤。
2）将基因组选择用于DH系的材料淘汰
陈绍江老师推动的DH系应用极大地缩短了杂交育种的周期。然而，由于DH系构建缺少了传统系谱逐代选择淘汰的过程，导致DH系中无效材料比例超过了99%，这为DH系的鉴定筛选带来了巨大的困难。
尤其是对依赖环境的抗性表型来说，单一年份的鉴定结果存在巨大风险。而多年份的鉴定则又会延长育种周期，浪费掉DH系节省下来的育种时间。这时，通过基因组选择辅助材料筛选就有了更大的价值。
尽管基因组选择预测表型的准确性仍较为有限，但作为辅助淘汰的依据已经足够。GS预测出表型很差的材料，即便有偏差，也很难反过来变成表型非常优秀的材料。因此我们不需要通过GS选择优系，只需要利用它对难以鉴定的关键数量性状预测结果淘汰劣系，就可以极大地减少后续田间工作量。
数以万计的DH系如果要求工作人员对十数个性状进行认真调查，是不现实的，即便得到数据也不会可靠。但如果通过MAS和GS，先淘汰掉95%以上的材料，再聚焦剩余材料进行更加详细精准的大田多环境鉴定，就容易让真正有价值的骨干系从数万份材料中脱颖而出，毕竟酒香也怕巷子深。
3）使用关联标记代替随机标记
玉米是异花作物，在几万年的驯化过程中大量基因的连锁关系已经被打破，变异位点间连锁不平衡距离较低。如果标记离功能基因较远，就很难产生较强的连锁不平衡关系。
因此，为了使表型预测的更加准确，常规的做法是加大标记的检测数目，例如使用50K芯片替代1K芯片，但这样一来则进一步加大了基因型检测的成本。
在前期研究中我们发现，关联分析获得的性状关联标记，具有比随机标记高的多的基因组选择预测性能。例如，几百个穗腐病抗性关联标记建模预测穗腐病抗性时R2即可达到0.7以上，而1万个随机标记的穗腐病抗性预测结果也很难超过0.5，这种影响远大于模型和算法对预测准确率的影响。
因此，如果我们针对个别关键性状（无主基因且难鉴定的重要数量性状）选择有限的关联标记群，进行基因型检测和表型预测，完全可以通过更低的成本获得更准确的预测结果，从而成为选系时性状田间调查外的有效补充。
2、由性状转育向性状选择的转变
现有的转基因事件转育和主效基因回交转育，是作为传统育种流程之外额外多出来的第三轮变异“创造-选择”过程。
该过程需要额外消耗至少5代时间，而仅添加了1个新的有利性状，同时还带来原有优良农艺性状和配合力丢失的风险。
既然本身也属于变异“创造-选择”过程，那么如果将其融入到第一轮变异“创造-选择”过程（即选系过程），只是作为选系时一个额外选择的性状，则可以极大地压缩育种流程、提升育种效率。
其中选择的融合很简单，在选系过程中加入对转基因事件或关键性状基因的分子标记辅助选择即可。
但要在交换重组“创造变异”的过程中引入这些性状，就需要又更加合理的初始杂交育种设计。例如，通过对手头骨干材料进行基因型检测摸底，明确携带转基因事件或性状主效基因的抗源，并了解它们的血缘构成。进而通过合理的单交、三交、双交设计，构建初始分离群体。例如，想要获得即抗南方锈病又能抗虫抗除草剂的优良自交系，那么在初始杂交亲本中就需要包括含转基因事件和抗南方锈病基因的材料。
3、基因编辑定向修饰的进一步利用
与其他创造变异方法相比，基因编辑更加精准高效。
基因编辑可以针对性对作物某一个自身基因进行修饰，既不会像杂交一样引入其他基因，也不会像转基因一样带来外源成分，同时比诱变育种指向性更强。
基因编辑育种目前推广的限制在于两点：1、相关政策仍比较保守；2、遗传转化的基因型依赖限制了骨干自交系的快速改良。
对于第一点，我相信基因编辑育种的放开应该是大势所趋。对于诱导基因移码突变的I型基因编辑（基因敲除），本身没有引入任何外来成分，且这种变异本身也会自然产生或通过诱变产生，难以监管区分，也不存在太大安全风险。那么既然诱变育种已经成为常规技术，I型基因编辑的政策限制意义并不是太大。美国对I型基因编辑用于育种的态度就是不需要备案，强烈限制转基因的欧洲也逐步放开了基因编辑育种政策，那么我国的相关政策大概率也会逐步放松。
对于第二点，技术方面的困难现在已经有了多方面的突破。例如，通过再生元件如BBM基因等的使用突破了许多品系对农杆菌遗传转化的限制。又比如，王保保、田丰等团队通过诱导系基因编辑技术，不经过组培实现了对不同自交系的直接基因编辑性状改良。
在这种形势下，通过基因编辑进行现有亲本和品种改良，远比回交转育具有更大的优势。靶向突变意味着性状可以预测，省去了选择变异的过程。不需要回交导入则不会引起遗传背景变化，省去了固定变异的过程。这就意味着，基因编辑仅通过一次“创造变异”，就可以完成第三轮育种工作，即品种改良环节，节约了时间、降低了风险。
因此，在不久的将来，基因编辑育种完全可以作为最后一道手续，对品种的个别瑕疵进行补丁升级。
四、我心目中的现代生物育种通用流程
通过以上对育种基本原理、育种技术和常规育种流程的解析，我们已经将不同的生物育种技术融合到了育种流程之中。
那么，我心目中的生物育种产业化流程也就诞生了（图3）：“骨干材料基因型摸底”——“分子辅助杂交方案设计”——“DH系创制”——“基因型辅助筛选”——“大田表型筛选”——“测配”——“品种比较”——“基因编辑定向改良”。
图3 设想中的现代生物育种通用流程
注：1）绿色为生物育种技术，蓝色为传统育种技术；2）转基因性状和主效基因位点通过MAS选择，难以鉴定但重要的数量性状通过GS淘汰，其他关键性状通过田间调查及统计选择；3）基因编辑定向改良作为可选项也可在品种审定后进行，用于品种升级。
依照此模式进行流程化育种，可以很好的结合传统育种与生物育种技术各自的优点，同时没有增加额外的育种周期，令每种生物育种技术都找到自己最佳的位置，最大程度提高企业和育种家的育种效率。
以上关于生物育种产业化实现方式的思考，是本人的一家之谈，如有不妥之处，请各位老师批评指正。
吴建宇教授课题组长期从事抗逆分子育种研究工作，在穗腐病及其他镰孢菌病害抗性、高温抗性、蚜虫抗性等的遗传研究上有较深的积累。本人微信号：13633804621（手机同号），欢迎各位同仁积极指导、交流合作。
