為了加快作物的育種進(jìn)程，育種家們探索了許多加速世代的方法，包括利用具有適宜光溫條件的自然環(huán)境進(jìn)行異地加代，或人為創(chuàng)造作物快速發(fā)育所需要的光溫環(huán)境，或輔以幼胚離體培養(yǎng)、單倍體誘導(dǎo)等生物技術(shù)措施以縮短作物的繁殖周期、加速遺傳純合，從而縮短育種年限[1-2]。采用異地加代的方式，育種家每年在本地（目標(biāo)環(huán)境，target environment）和異地（非目標(biāo)環(huán)境，non-target environment）進(jìn)行來(lái)回穿梭育種。可以進(jìn)行異地加代的反季節(jié)育種（off-season breeding）的地點(diǎn)因植物而不同，但必須滿(mǎn)足特定作物完成生長(zhǎng)發(fā)育周期所需的基本的光照和溫度條件。隨著本地氣溫的降低，大多數(shù)栽培植物都需要向溫暖的異地尋找適宜的反季節(jié)育種基地。早在1945年，諾貝爾和平獎(jiǎng)獲得者Norman Borlaug博士就開(kāi)始了小麥的穿梭育種，利用墨西哥Toluca和Obregon 2個(gè)具有不同維度和海拔高度、相距約2 000 km的地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一年繁殖2代，在短時(shí)間內(nèi)育出多個(gè)高產(chǎn)抗銹病的矮化小麥品種[3-4]。在中國(guó)，著名玉米育種家吳紹骙于1961年即提出了利用南方天然光溫條件加快作物種子繁殖的方法[5]。利用氣候差異開(kāi)展的異地繁殖加代技術(shù)已廣泛用于加速育種進(jìn)程。位于北半球的美國(guó)、荷蘭等國(guó)家在智利、菲律賓、墨西哥等地建立了跨國(guó)的異地繁殖和育種試驗(yàn)站[6]。北美育種通常在氣候適宜的夏威夷、瓜地馬拉、墨西哥、智利、巴西、秘魯以及泰國(guó)等地進(jìn)行異地加代；而歐洲大部分地區(qū)的育種，異地加代一般在智利、巴西、危地馬拉、摩洛哥和泰國(guó)進(jìn)行。在北美洲和南美洲之間進(jìn)行的玉米、小麥、大豆等作物的穿梭育種，大大加速了育種進(jìn)程。

中國(guó)地緣遼闊、各地氣候多樣、栽培作物種類(lèi)繁多，適合異地加代、擴(kuò)繁和純度鑒定的時(shí)間和地點(diǎn)差別比較大。對(duì)于不同的作物，異地加代可以分別被稱(chēng)為夏繁、秋繁、冬繁。如長(zhǎng)江流域的冬播油菜，收獲后可以在夏天到寧夏和甘肅等西部涼爽地區(qū)去夏繁。江浙一帶的早稻收獲后，可以到福建、廣西、廣東的一些地方去秋繁，隨后再轉(zhuǎn)戰(zhàn)海南去冬繁，這樣可以利用自然環(huán)境完成一年3次繁育和測(cè)試。大多數(shù)異地加代的作物，包括水稻、玉米、棉花、大豆、一部分蔬菜和瓜類(lèi)作物，一般都是在大陸目標(biāo)環(huán)境完成一代的試驗(yàn)之后到南方（主要是海南）進(jìn)行冬繁，這種最常見(jiàn)的異地加代、擴(kuò)繁和純度鑒定被簡(jiǎn)稱(chēng)為南繁（off-season breeding, non-target environment breeding,or winter-nursery breeding）。

長(zhǎng)期以來(lái)，因?yàn)楫惖丨h(huán)境條件明顯不同于本地，南繁的主要目的是加速世代進(jìn)程、擴(kuò)繁和純度鑒定，而無(wú)法有效地進(jìn)行重要農(nóng)藝性狀的選擇。盡管海南的條件可以滿(mǎn)足很多作物額外2代的繁殖，但大多數(shù)情況下，一年只能加繁1代。因此，南繁育種普遍存在的共性問(wèn)題之一就是重繁殖輕選擇或不選擇、異地只能加代一次，因?yàn)檫B續(xù)加繁2代有可能丟失很多重要的目標(biāo)性狀。其結(jié)果是海南的優(yōu)良南繁條件沒(méi)有得到有效地利用。隨著轉(zhuǎn)基因、基因編輯、分子標(biāo)記輔助選擇、分子設(shè)計(jì)育種以及各種快速育種技術(shù)的發(fā)展，分子植物育種將助推南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從常規(guī)的加代繁殖轉(zhuǎn)變成加代和選育相結(jié)合，讓異地選擇實(shí)質(zhì)上等同于本地選擇。為推動(dòng)海南自貿(mào)區(qū)的建設(shè)和南繁種業(yè)的發(fā)展，2019年12月9日—12日在三亞舉辦了“崖州論壇：南繁與現(xiàn)代育種國(guó)際論壇”，徐云碧應(yīng)邀作了“分子植物育種助推南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)”的專(zhuān)題報(bào)告[7]。本文就是在該報(bào)告的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他作者的建議和討論形成的。文章將討論南繁種業(yè)現(xiàn)狀與海南地理生態(tài)優(yōu)勢(shì)，南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必要性和可能性，與轉(zhuǎn)型升級(jí)有關(guān)的育種理論、育種平臺(tái)和分子檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)所需的整合育種體系。希望借此推進(jìn)有關(guān)南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的公眾討論和政府決策，從而推進(jìn)種業(yè)的科技進(jìn)步和現(xiàn)代化。

1 海南地理生態(tài)優(yōu)勢(shì)與南繁種業(yè)現(xiàn)狀

中國(guó)的“南繁”始于1956年。從 1956年到 20世紀(jì)60年代，遼寧、湖南、山東、河南、四川等省專(zhuān)家及技術(shù)人員開(kāi)始了南繁的探索和實(shí)踐。起初南繁是在廣州、南寧、湛江、海口等城市周邊。隨著交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，南繁向更適宜農(nóng)作物種植的區(qū)域轉(zhuǎn)移。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的探索與實(shí)踐，南繁基地穩(wěn)定在海南省三亞市及其兩廂陵水和樂(lè)東兩縣，輔之以云南省西雙版納、元謀和廣西壯族自治區(qū)北海市等地。海南省墾區(qū)作為重要的熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地區(qū)，擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，是國(guó)家稀缺的、不可替代的戰(zhàn)略資源。特別是正在籌建的國(guó)家南繁科技城所在地三亞市，是南繁育種的最大核心區(qū)。三亞市寒暑變化不大，年平均氣溫為24—25℃，1月平均氣溫為 21.4℃，冬季如春，皆為喜溫作物的活躍生長(zhǎng)期，雨季旱季明顯，陽(yáng)光充足，熱量豐富，光能利用率高，被譽(yù)為“天然大溫室”（圖1），適合農(nóng)作物周年種植和生產(chǎn)。

圖1 南繁育種核心區(qū)域三亞市的全年溫度和降雨量
Fig .1 Temperature and precipitation in Sanya, Hainan, a core off-season breeding base for accelerating breeding in China

海南南繁為國(guó)家種業(yè)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作出了巨大貢獻(xiàn)。60多年來(lái)，全國(guó)育成的農(nóng)作物新品種中，70%以上的品種都經(jīng)過(guò)南繁。近幾年，全國(guó)近 30個(gè)省份800多家科研院所、高等院校及科技型企業(yè)約 6 000多名農(nóng)業(yè)科技專(zhuān)家、學(xué)者來(lái)到海南從事南繁育種工作[8]。水稻“野敗”雄性不育系就是在南繁期間發(fā)現(xiàn)的。1970年11月23日，袁隆平助手李必湖和南紅農(nóng)場(chǎng)職工馮克珊在崖縣（現(xiàn)三亞市）南紅農(nóng)場(chǎng)的水溝邊發(fā)現(xiàn)一株野生稻花粉敗育型雄性不育株，這一“野敗”植株的發(fā)現(xiàn)成為三系法雜交水稻研究的重要突破口[9]。近10年，主要農(nóng)作物國(guó)家審定的品種有1 345個(gè)出自南繁，占總數(shù)的86%；省級(jí)審定的12 599個(gè)品種，育自南繁的占91%[10]。南繁作物種類(lèi)目前已經(jīng)擴(kuò)展到水稻、棉花、小麥、煙草、蔬菜等30余種。特別是水稻育種，借助于南繁基地，育種世代從每年1—2代變?yōu)?—3代，種子擴(kuò)繁加速了水稻新品種和新組合的應(yīng)用和推廣，純度鑒定為全國(guó)推廣品種（雜交種）提供了安全保障。海南也成為中國(guó)農(nóng)作物育種應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究的重要基地。

南繁基地目前主要用于繁殖加代（包括種子擴(kuò)繁）、純度鑒定而不是全方位育種。海南省的地理生態(tài)優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分和有效利用。主要原因在于：（1）異地?zé)o法進(jìn)行精確的表型選擇：導(dǎo)致只能在異地進(jìn)行不加選擇的繁殖1代，而非連續(xù)多代繁殖和育種。（2）土地面積小或一致性差、試驗(yàn)成本太高，以致無(wú)法進(jìn)行大規(guī)?；蛑苣暝囼?yàn)，許多育種單位因?yàn)槟戏背杀咎哒跍p小南繁規(guī)?；蚋纱喾艞壞戏?。（3）試驗(yàn)規(guī)模有限：土地和勞動(dòng)力資源無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模常規(guī)育種的需求，許多南繁育種者不得已從北方雇用大量勞動(dòng)人員到海南基地。（4）季節(jié)矛盾：異地與本地目標(biāo)地域的生長(zhǎng)季節(jié)沖突導(dǎo)致只能在海南種植一季。（5）政策定位：長(zhǎng)期以來(lái)海南省僅僅作為繁育基地，許多單位沒(méi)有穩(wěn)定的基地，基礎(chǔ)建設(shè)投入不足，種植生長(zhǎng)條件較差?，F(xiàn)代分子生物學(xué)和育種技術(shù)的發(fā)展正在為充分利用海南省氣候資源，實(shí)現(xiàn)南繁種業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)創(chuàng)造條件。

2 南繁種業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)及其所需條件

實(shí)現(xiàn)南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，就是要改變歷史上單一的繁殖加代、純度鑒定模式，實(shí)現(xiàn)向資源引進(jìn)和評(píng)價(jià)、育種選擇、品種（雜種）鑒定和品種權(quán)保護(hù)等在內(nèi)的全產(chǎn)業(yè)鏈模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)從海南加代向海南育種、全國(guó)測(cè)試的方向轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從冬繁到全年育種的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從一年1代到一年多代的轉(zhuǎn)變，將南繁基地轉(zhuǎn)變?yōu)橛N基地，將海南的冬天轉(zhuǎn)變?yōu)橛N家的春天。實(shí)現(xiàn)南繁種業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)需要異地選擇觀(guān)念的轉(zhuǎn)變、國(guó)家相關(guān)政策的支持、分子育種平臺(tái)的支撐、生物安全防控、品種保護(hù)制度的建立和完善、資源共享和交流機(jī)制的形成（表1）。

表1 南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)所需條件
Table 1 Requirements for transformation and upgrading of Hainan off-season breeding

要完成南繁種業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)首先需要轉(zhuǎn)變觀(guān)念，從傳統(tǒng)的南繁加代轉(zhuǎn)變?yōu)榻柚诜肿佑N技術(shù)和手段在海南進(jìn)行異地評(píng)價(jià)、選擇和育種。為此，需要國(guó)家在土地租用、人工使用、基地建設(shè)、種質(zhì)資源引進(jìn)等方面采用新的支持和優(yōu)惠政策，以期降低試驗(yàn)成本、提高試驗(yàn)質(zhì)量、簡(jiǎn)化管理、提高效率。同時(shí)要建立立足海南進(jìn)行現(xiàn)代育種所需的各種平臺(tái)和生態(tài)生活環(huán)境，以提供分子檢測(cè)、表型鑒定、快速育種、轉(zhuǎn)基因和基因編輯等現(xiàn)代生物技術(shù)服務(wù)。為引進(jìn)跨國(guó)種業(yè)在海南扎根安家，需要在海南率先實(shí)施與國(guó)際接軌的植物品種保護(hù)制度，讓國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)和種質(zhì)資源能夠走進(jìn)來(lái)、站得住、用得好。最后要拓展動(dòng)植物育種的國(guó)際國(guó)內(nèi)合作空間，在實(shí)施品種保護(hù)制度的前提下，推進(jìn)國(guó)內(nèi)外以及海南各育種單位種質(zhì)資源和信息資源的共享和交流，使南繁育種立足海南、輻射東南亞，惠及全世界。

3 南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之育種理論

3.1 數(shù)量和群體遺傳

南繁育種中需要選擇的許多性狀為數(shù)量性狀。數(shù)量性狀的遺傳受微效多基因控制，其表現(xiàn)受外界環(huán)境的極大干擾。首先，經(jīng)典和現(xiàn)代數(shù)量遺傳學(xué)為復(fù)雜性狀的遺傳評(píng)價(jià)提供了重要的方法，包括性狀遺傳變異的剖分、復(fù)雜性狀之間的相關(guān)分析、遺傳率和選擇響應(yīng)的估算、綜合選擇指數(shù)的構(gòu)建、長(zhǎng)期和輪回選擇結(jié)果的預(yù)測(cè)、基因型和環(huán)境互作的評(píng)價(jià)和檢測(cè)。

其次，基于分子標(biāo)記選擇的數(shù)量遺傳學(xué)理論，即分子數(shù)量遺傳學(xué)，為復(fù)雜數(shù)量性狀的異地選擇提供了可能性[11-13]。利用分子標(biāo)記，采用雙親或多親產(chǎn)生的分離群體進(jìn)行連鎖分析、自然群體或多雜種群體的連鎖非平衡（關(guān)聯(lián)）分析，可以定位影響復(fù)雜數(shù)量性狀的多個(gè)QTL，確定其效應(yīng)的大小、QTL與環(huán)境的互作、不同性狀QTL之間的互作[14-16]。利用不同實(shí)驗(yàn)室、不同地點(diǎn)所獲得的標(biāo)記-性狀關(guān)聯(lián)信息，可以開(kāi)發(fā)與目標(biāo)性狀相關(guān)的功能或關(guān)聯(lián)標(biāo)記，構(gòu)建選擇模型，開(kāi)展多種形式、不依賴(lài)于環(huán)境的分子標(biāo)記輔助選擇，包括回交育種、基因累加、輪回選擇和全基因組選擇，從而對(duì)目標(biāo)性狀實(shí)現(xiàn)有效地異地評(píng)價(jià)和選擇。

其三，根據(jù)群體遺傳學(xué)的理論，可以確定群體中重要性狀QTL的有利等位基因、單倍型及其相應(yīng)的頻率和效應(yīng)。通過(guò)全基因組選擇（genomic selection，GS）等群體改良技術(shù)在育種群體中進(jìn)行優(yōu)良等位基因的累加。GS就是利用覆蓋全基因組的高密度標(biāo)記進(jìn)行選擇育種，通過(guò)早期或異地選擇縮短育種周期，提高基因組估計(jì)育種值（genomic estimated breeding value，GEBV）的準(zhǔn)確性，從而獲得更大的遺傳增益。通過(guò)覆蓋全基因組的分子標(biāo)記估算不同染色體片段或單個(gè)標(biāo)記效應(yīng)值，然后將個(gè)體各個(gè)片段或標(biāo)記效應(yīng)值累加，獲得GEBV，其理論假設(shè)是在分布于全基因組的高密度SNP標(biāo)記中，至少有一個(gè)SNP能夠與影響目標(biāo)性狀的數(shù)量遺傳位點(diǎn)處于連鎖不平衡狀態(tài)，因此群體中每個(gè)QTL的效應(yīng)都可以通過(guò)特定的SNP聯(lián)系起來(lái)，從而更好地解釋表型變異。預(yù)期GS將在異地選擇育種中縮短育種周期，實(shí)現(xiàn)待選群體的早代選擇，提高GEBV估計(jì)準(zhǔn)確性；同時(shí)降低育種成本，減少表型鑒定的數(shù)量。對(duì)于雜種優(yōu)勢(shì)利用作物，還能根據(jù)親本預(yù)測(cè)雜交后代，選擇最佳雜種優(yōu)勢(shì)組合。

3.2 基因型與環(huán)境互作

以測(cè)序技術(shù)為基礎(chǔ)的基因型檢測(cè)技術(shù)和表型組學(xué)為現(xiàn)代育種提供了基因型和表現(xiàn)型2個(gè)維度的支撐信息。由于植物的表現(xiàn)型是基因型和環(huán)境共同作用的，精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)植物生長(zhǎng)發(fā)育有關(guān)的外界和內(nèi)部環(huán)境，可以進(jìn)行更加準(zhǔn)確的表現(xiàn)評(píng)價(jià)和選擇。環(huán)境型鑒定就是要定量地確定各種環(huán)境因子（氣候、土壤、植物冠層、伴生生物、作物管理等）的變異[17]。因此，在未來(lái)的育種實(shí)踐中，環(huán)境因子及其對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、表現(xiàn)型變異等的影響不再是一個(gè)無(wú)法測(cè)度的黑箱。環(huán)境型鑒定和評(píng)價(jià)將有助于深入了解和分析基因型與環(huán)境互作及其復(fù)雜性，確定基因型與環(huán)境互作、環(huán)境反應(yīng)相關(guān)的基因，從而更好地將基因型與環(huán)境互作信息應(yīng)用于改進(jìn)選擇效率，提升遺傳增益[16-17]。在不同的生態(tài)地區(qū)間有計(jì)劃地進(jìn)行育種材料的交流、種植和選擇的穿梭育種，可以把南繁基地作為其中一個(gè)生態(tài)區(qū)，評(píng)價(jià)和度量育種材料的遺傳與環(huán)境互作。這種穿梭育種可以培育出具有廣泛適應(yīng)性與特殊適應(yīng)性的2種不同類(lèi)型的品種。結(jié)合不依賴(lài)于環(huán)境的標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，可以對(duì)重要的農(nóng)藝性狀進(jìn)行有效的異地評(píng)價(jià)和選擇。分子標(biāo)記輔助選擇將徹底改變南繁育種方式，使傳統(tǒng)的1代異地繁殖變成2代或多代的異地繁殖而不喪失選擇方向或目標(biāo)。

植物生長(zhǎng)發(fā)育經(jīng)歷從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。該過(guò)程受外界環(huán)境條件和植物內(nèi)部生理和遺傳等因素的控制，是基因型與環(huán)境相互作用的結(jié)果。外界環(huán)境條件主要是溫度和光照，次要的包括水分和養(yǎng)分等的協(xié)同作用。植物內(nèi)部因素包括影響生長(zhǎng)發(fā)育的各種化學(xué)成分、營(yíng)養(yǎng)元素、基因及其代謝途徑。通過(guò)調(diào)控植物外界和體內(nèi)影響生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)環(huán)境和遺傳相關(guān)因素，可以加快植物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程。近年來(lái)倡導(dǎo)的快速育種（speed breeding）理論，就是基于對(duì)各種生長(zhǎng)發(fā)育影響因子，特別是光照和溫度的調(diào)節(jié)和控制，大大加快植物的生長(zhǎng)發(fā)育速度，從而讓植物在較短的時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育周期[18]。此外，通過(guò)組織培養(yǎng)、胚拯救，結(jié)合雙單倍體（doubled haploid，DH）育種技術(shù)，亦可大大加速世代進(jìn)程和遺傳純合穩(wěn)定。

在現(xiàn)代育種技術(shù)中，轉(zhuǎn)基因、基因編輯和合成生物學(xué)等對(duì)外界環(huán)境的依賴(lài)性較弱，不需要或較少考慮基因型和環(huán)境的互作問(wèn)題，特別適合于整合到南繁育種程序之中。轉(zhuǎn)基因技術(shù)是將人工分離和修飾過(guò)的外源基因?qū)氲缴矬w基因組中，由于導(dǎo)入基因的表達(dá)，引起生物體性狀的可遺傳修飾。其技術(shù)涉及外源基因的克隆、表達(dá)載體、受體細(xì)胞以及轉(zhuǎn)基因途徑等[19-20]。對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行刪除、替換、插入等操作的基因編輯，可以獲得植物新功能或新表型[21-22]?；谙到y(tǒng)生物學(xué)的遺傳工程和工程方法的人工生物系統(tǒng)研究，合成生物學(xué)實(shí)現(xiàn)從基因片段、DNA分子、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)傳導(dǎo)路徑到細(xì)胞的人工設(shè)計(jì)與合成，實(shí)現(xiàn)基因元器件的人工改造與基因回路的人工合成[23-25]。為將合成生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于育種，需要整合單一基因與復(fù)雜性狀的元件和模塊，通過(guò)人工基因線(xiàn)路的定制化實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)健康、資源節(jié)約、環(huán)境友好作物的大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。轉(zhuǎn)基因、基因編輯和合成生物學(xué)均可整合應(yīng)用于植物的遺傳改良并在海南等異地實(shí)施。

3.3 分子設(shè)計(jì)和大數(shù)據(jù)

隨著組學(xué)和生物信息技術(shù)的發(fā)展，以生物信息學(xué)為平臺(tái)，以基因組學(xué)、表觀(guān)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等產(chǎn)生的生物信息大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合植物育種流程中的遺傳、生理、生化、農(nóng)藝、生物統(tǒng)計(jì)等所有學(xué)科的技術(shù)和信息，根據(jù)育種目標(biāo)和環(huán)境，設(shè)計(jì)最佳方案。最初的設(shè)計(jì)育種概念，就是通過(guò)綜合各種知識(shí)和計(jì)算機(jī)模擬，最終讓育種家可以將所有位點(diǎn)最有利的等位基因以可控的方式結(jié)合起來(lái)進(jìn)行超級(jí)品種的設(shè)計(jì)[26]。分子設(shè)計(jì)育種就是在解析作物重要農(nóng)藝性狀形成的分子機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論設(shè)計(jì)和選擇，對(duì)多基因復(fù)雜性狀進(jìn)行定向改良，獲得綜合性狀優(yōu)異的新品種[27-29]。理論上，分子設(shè)計(jì)育種涉及微觀(guān)水平上的基因設(shè)計(jì)、代謝途徑設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；在宏觀(guān)層面上，分子設(shè)計(jì)育種則可以在個(gè)體、群體和物種水平上進(jìn)行[30]（表 2）。近年的研究提供了與代謝途徑設(shè)計(jì)相關(guān)的報(bào)道。一是利用合成生物學(xué)人工設(shè)計(jì)光呼吸通路：通過(guò)轉(zhuǎn)入植物蘋(píng)果酸合成酶和綠藻乙醇酸脫氫酶到葉綠體，將乙醇酸直接轉(zhuǎn)化為蘋(píng)果酸進(jìn)入卡爾文循環(huán)。同時(shí)，利用 RNA干擾抑制葉綠體上的乙醇酸/甘油酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PLGG1以防止乙醇酸離開(kāi)葉綠體，使轉(zhuǎn)基因煙草植物的生長(zhǎng)量比野生型煙草提高40%[31]。類(lèi)似研究還包括利用多基因組裝和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在水稻葉綠體中建立新的光呼吸旁路[32]以及第二條光呼吸代謝支路（GCGT捷徑）[33]。二是以豆科模式植物百脈根為材料，通過(guò)研究賴(lài)氨酸基序（LysM）受體如何特意識(shí)別特意配體，揭示可能通過(guò)合成生物學(xué)改造非豆科植物進(jìn)行固氮，為在非豆科植物中進(jìn)行受體改造從而使其能識(shí)別根瘤菌提供了重要的理論指導(dǎo)[34]。這類(lèi)分子設(shè)計(jì)育種可以很大程度在南繁等非目標(biāo)環(huán)境下進(jìn)行。結(jié)合基因組預(yù)測(cè)，可以在異地條件下，對(duì)所設(shè)計(jì)的育種方案、育種群體進(jìn)行各種評(píng)估和預(yù)測(cè)，從而改進(jìn)異地選擇所能獲得的遺傳增益。

表2 微觀(guān)和宏觀(guān)水平的分子設(shè)計(jì)育種（根據(jù)文獻(xiàn)[30]修改）
Table 2 Breeding by molecular design at micro- and macro-scales (revised from [30])

為踐行分子設(shè)計(jì)育種，中國(guó)科學(xué)院實(shí)施“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)[35]。該專(zhuān)項(xiàng)以水稻為主，利用多種種質(zhì)資源，綜合運(yùn)用基因組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)等手段，解析重要農(nóng)藝（經(jīng)濟(jì)）性狀的分子模塊，揭示復(fù)雜性狀全基因組編碼規(guī)律，發(fā)展多模塊非線(xiàn)性耦合理論和“全基因組導(dǎo)航”分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)，以期優(yōu)化多模塊組裝的品種設(shè)計(jì)的最佳策略。利用水稻數(shù)量性狀核苷酸（quantitative trait nucleotide，QTN）圖譜和遺傳圖，中國(guó)科學(xué)家系統(tǒng)分析了水稻基因組中存在的遺傳累贅，并針對(duì)雜交-回交-自交、群體樣本量、導(dǎo)入位點(diǎn)數(shù)等各類(lèi)情形進(jìn)行大數(shù)據(jù)仿真模擬，獲得了育種設(shè)計(jì)路線(xiàn)的優(yōu)化參數(shù)，最終開(kāi)發(fā)出能夠指導(dǎo)水稻育種設(shè)計(jì)的導(dǎo)航軟件包RiceNavi[36]。該導(dǎo)航軟件包配備了三大功能：提供用戶(hù)待改良品種的全部 QTN基因型，并展示實(shí)體庫(kù)中具有互補(bǔ)等位的種質(zhì)材料；根據(jù)用戶(hù)需要導(dǎo)入的基因位點(diǎn)（1—4個(gè)）給出最優(yōu)育種路線(xiàn)；育種過(guò)程每代根據(jù)中間群體的基因型挑出最有潛力的若干后代材料。RiceNavi已被用于優(yōu)良秈稻品種“黃華占”的遺傳改良，使其能夠更好地適應(yīng)密植和縮短生長(zhǎng)期。采用RiceNavi系統(tǒng)，不僅改進(jìn)育種進(jìn)度和精確度，而且可全部或部分實(shí)現(xiàn)QTN的大多數(shù)預(yù)測(cè)效果。

在育種實(shí)踐上，分子模塊設(shè)計(jì)作為分子設(shè)計(jì)育種的一種形式，已用于水稻品種的改良[35]。值得重視的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是分子設(shè)計(jì)育種應(yīng)該站在“巨人”的肩膀上，采用新育成的最佳品種作為分子改良的底盤(pán)品種（base variety），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基因及其組合的優(yōu)化和性狀的進(jìn)一步改良。一個(gè)典型的實(shí)例是以水稻品種空育131為底盤(pán)品種，通過(guò)基于分子標(biāo)記輔助的回交選擇和分子模塊育種，結(jié)合北育和南繁，獲得了一系列改良版，包括導(dǎo)入了抗倒和穗粒數(shù)分子模塊的金黃稻1號(hào)、穗大和晚熟分子模塊的金黃稻2號(hào)、粒長(zhǎng)和晚熟分子模塊的金黃稻3號(hào)、香米基因分子模塊的金黃香1號(hào)和金黃香2號(hào)、低直鏈淀粉分子模塊的金黃戀1號(hào)[37]。

4 南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之育種平臺(tái)

4.1 高通量精準(zhǔn)表現(xiàn)型鑒定

隨著表型組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在南繁環(huán)境下實(shí)施精準(zhǔn)表型鑒定成為可能。鑒于一般育種單位在南繁基地的試驗(yàn)規(guī)模較小、育種活動(dòng)復(fù)雜而各具特色，有必要建立和協(xié)調(diào)全國(guó)性的南繁表型鑒定平臺(tái)和設(shè)施（包括無(wú)人機(jī)、遙感、智能化裝備等），實(shí)現(xiàn)表型鑒定平臺(tái)的共享共用、表型信息的互通、整合和綜合開(kāi)發(fā)利用。通過(guò)環(huán)境型鑒定采集的環(huán)境信息，根據(jù)基因型X環(huán)境互作效應(yīng)，建立目標(biāo)環(huán)境和異地環(huán)境之間的相互關(guān)聯(lián)模式，對(duì)異地環(huán)境下所獲得的精準(zhǔn)表型進(jìn)行校正，從而預(yù)測(cè)在目標(biāo)環(huán)境下的可能表型。

4.2 環(huán)境型鑒定

廣泛采集影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和性狀表達(dá)的各種外界和內(nèi)部環(huán)境因素，進(jìn)行育種環(huán)境的特征化分析和分類(lèi)，是開(kāi)展精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化、流程化評(píng)價(jià)和選擇的關(guān)鍵。要像重視基因型鑒定、精準(zhǔn)表型鑒定一樣重視環(huán)境型鑒定。要對(duì)設(shè)施環(huán)境、可控的人工環(huán)境和大田自然環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)的環(huán)境因子采集[17]。通過(guò)環(huán)境特征化分析建立不同環(huán)境的可比性環(huán)境評(píng)價(jià)參數(shù)，為不同環(huán)境下的育種評(píng)價(jià)和選擇提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在保持南繁基地和試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的前提下，要開(kāi)展環(huán)境信息的長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)化采集、保存、分析和利用，通過(guò)積累歷史數(shù)據(jù)為未來(lái)育種提供信息支撐。

4.3 信息處理和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

遠(yuǎn)程信息處理和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為常規(guī)和異地環(huán)境下育種信息交流提供了便利。適合于異地監(jiān)控、遙控遙感、遠(yuǎn)程信息采集、信息實(shí)時(shí)傳輸、可視化技術(shù)的進(jìn)步使異地評(píng)價(jià)和選擇等育種活動(dòng)與目標(biāo)環(huán)境保持同步和高效。

4.4 決策支撐系統(tǒng)

建立互聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)支持下的各種決策支撐系統(tǒng)，使異地的評(píng)價(jià)和選擇得到類(lèi)似于目標(biāo)環(huán)境的支撐服務(wù)。相關(guān)的決策支撐系統(tǒng)包括遺傳材料評(píng)價(jià)、QTL作圖軟件、遺傳分析工具、育種模擬、分子和功能標(biāo)記開(kāi)發(fā)、多元信息處理、全基因組選擇和基因組預(yù)測(cè)等（圖2）。

圖2 南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)所需之分子育種平臺(tái)（根據(jù)文獻(xiàn)[38]修改）
Fig. 2 Molecular plant breeding platforms required for transformation and upgrading of Hainan off-season breeding industry(Revised from [38])

現(xiàn)代育種技術(shù)平臺(tái)將在南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中發(fā)揮關(guān)鍵作用（圖2）。平臺(tái)將推動(dòng)以下領(lǐng)域的進(jìn)展：異地選擇（完成主要目標(biāo)性狀的異地評(píng)價(jià)、鑒定和選擇）、分子檢測(cè)（轉(zhuǎn)基因性狀的轉(zhuǎn)移、基因編輯檢測(cè)）、增規(guī)減耗（通過(guò)早期和播前選擇增加規(guī)模、提高土地利用率、降低成本）、品種權(quán)利保護(hù)（品種真實(shí)性、實(shí)質(zhì)性派生品種、品系和雜交種純度檢測(cè)）、DH育種（單倍體篩選、早期淘汰和選擇）、快速育種（通過(guò)控制環(huán)境條件加速植物生長(zhǎng)發(fā)育、分子標(biāo)記輔助的快速篩選和鑒定）、全基因組選擇和預(yù)測(cè)以及開(kāi)源育種（種質(zhì)資源和信息資源的共享、交流和利用）。

5 南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之分子檢測(cè)技術(shù)

分子檢測(cè)技術(shù)以及標(biāo)記輔助的選擇使評(píng)價(jià)和選擇不再依賴(lài)于特定的環(huán)境條件。首先，借助分子標(biāo)記，可以在任何環(huán)境下對(duì)各種需要特定環(huán)境才能表達(dá)的性狀進(jìn)行選擇，比如需要逆境才能表現(xiàn)的非生物脅迫抗性，需要發(fā)病條件才能表現(xiàn)的各種病蟲(chóng)害抗性，需要特定光溫條件才能表現(xiàn)的各種光溫敏感性（光、溫敏不育性）和光溫反應(yīng)特性，需要施用除草劑才能鑒別的除草劑抗性等等。許多品質(zhì)性狀（例如化學(xué)成分和物理特性等）的鑒定，往往需要大量的樣品和耗費(fèi)大量的時(shí)間或成本，才能在實(shí)驗(yàn)室分析完成，而對(duì)大量樣品的分析，必須等到選擇材料能夠產(chǎn)生足夠樣品的后期世代才能進(jìn)行。利用分子標(biāo)記，可以對(duì)這類(lèi)需要大量樣品、通過(guò)精細(xì)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)才能確定的性狀進(jìn)行微量和非常規(guī)的分析。理論上，在條件滿(mǎn)足時(shí)，上述所有的評(píng)價(jià)和選擇可以利用從植物組織提取的少量DNA通過(guò)分子標(biāo)記分析一步完成全部檢測(cè)[39]。

20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)20年代，分子標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，經(jīng)歷了從凝膠電泳到熒光檢測(cè)、固相芯片和液相芯片的4G發(fā)展過(guò)程；而測(cè)序技術(shù)作為最根本的檢測(cè)方式貫穿始終，有可能最終取代所有的其他檢測(cè)技術(shù)[40-41]。檢測(cè)系統(tǒng)本身經(jīng)歷了從凝膠電泳到芯片和測(cè)序的提升，檢測(cè)的通量從單個(gè)標(biāo)記發(fā)展到成千上萬(wàn)個(gè)標(biāo)記的同步檢測(cè)，檢測(cè)分辨率從10—30 cM一個(gè)標(biāo)記提高到一個(gè)基因內(nèi)包含多個(gè)標(biāo)記或單倍型，檢測(cè)成本從過(guò)去的一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)幾美元降低了萬(wàn)分之一美元或更低。

基于分子檢測(cè)的基因型鑒定是分子育種的核心技術(shù)，也是現(xiàn)代種業(yè)必不可少的育種工具。目前廣泛應(yīng)用于育種的基因型檢測(cè)方法主要包括以Affymetrix和Illumina為代表的固相基因芯片技術(shù)[42-43]、以L(fǎng)GC和Douglas為代表的微流控技術(shù)[44-45]以及熒光單標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)。這些主導(dǎo)技術(shù)均為國(guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)，定價(jià)權(quán)完全掌握在國(guó)外公司手中，國(guó)內(nèi)服務(wù)商采購(gòu)后加上檢測(cè)服務(wù)費(fèi)用，導(dǎo)致高密度固相芯片等的檢測(cè)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出中國(guó)育種機(jī)構(gòu)或公司所能夠承受的上限。例如，基于固相芯片的55K SNP標(biāo)記，其單個(gè)樣品的分析成本可高達(dá) 300—500元。對(duì)于一個(gè)中小公司來(lái)說(shuō)，花費(fèi)30萬(wàn)—50萬(wàn)元研發(fā)經(jīng)費(fèi)，最多只能分析1 000個(gè)樣本，也就是相當(dāng)于1—3個(gè)育種群體，導(dǎo)致難以大規(guī)模用于分子育種實(shí)踐，只能用于國(guó)家經(jīng)費(fèi)支持的探索性研究和少數(shù)示范性項(xiàng)目。近二十年來(lái)，國(guó)際商業(yè)育種巨頭通過(guò)高度的技術(shù)集成和大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，大大降低了單個(gè)樣本的分析成本，實(shí)現(xiàn)了分子檢測(cè)技術(shù)的常規(guī)化應(yīng)用。相比之下，分子檢測(cè)技術(shù)在中國(guó)育種中的應(yīng)用尚處于起步階段。雖然多數(shù)種業(yè)企業(yè)及育種家已經(jīng)逐步了解并意識(shí)到該技術(shù)的巨大潛力，并具有強(qiáng)烈的應(yīng)用意愿，但由于中國(guó)種業(yè)公司規(guī)模小，投入研發(fā)的資金有限，技術(shù)平臺(tái)薄弱等限制因素，導(dǎo)致分子育種應(yīng)用進(jìn)展緩慢。國(guó)家和企業(yè)投資興建的分子育種檢測(cè)平臺(tái)也因?yàn)闄z測(cè)成本高昂未能發(fā)揮預(yù)期的作用。為了推動(dòng)中國(guó)種業(yè)創(chuàng)新，提高種業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，發(fā)展高效低成本的檢測(cè)技術(shù)至關(guān)重要。因此，需要建立技術(shù)和成本均符合中國(guó)種業(yè)現(xiàn)狀的分子檢測(cè)技術(shù)服務(wù)體系。分子檢測(cè)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)是將單個(gè)樣本檢測(cè)的成本降低到表型鑒定的成本以下（20—30元/樣品），讓每個(gè)中小公司的年研發(fā)費(fèi)用可以用于10個(gè)以上群體的分子檢測(cè)。

近年來(lái)，中國(guó)在液相芯片檢測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)換道超車(chē)，一舉突破了成本、平臺(tái)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三重制約，在大幅度降低分子標(biāo)記檢測(cè)成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)平臺(tái)儀器設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和分析試劑的國(guó)產(chǎn)化。石家莊博瑞迪生物技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的靶向測(cè)序基因型檢測(cè)（GBTS）技術(shù)，通過(guò)GenoPlexs可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)5 000對(duì)標(biāo)記引物高度均一的多重PCR靶向擴(kuò)增?；谝簯B(tài)探針捕獲的靶向測(cè)序-液相芯片基因型檢測(cè)技術(shù)GenoBaits，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)40K個(gè)標(biāo)記檢測(cè)在一個(gè)反應(yīng)中完成。同時(shí)可在每一靶向目標(biāo)區(qū)域內(nèi)捕獲多個(gè)SNP（multiple SNP，mSNP），使最大單次標(biāo)記檢測(cè)數(shù)增加到40K mSNP（260K SNP）。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一款多用，即通過(guò)控制測(cè)序深度，采用同一套標(biāo)記，可以獲得1K—260K不同數(shù)目的SNP標(biāo)記。在相同標(biāo)記和樣本數(shù)目下，其價(jià)格顯著低于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品[46]。GBTS適合于所有生物，包括動(dòng)物、植物、微生物[41]。利用GBTS技術(shù)，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了玉米20K SNP GBTS標(biāo)記，并獲得成本效益最大化的10K、5K和1K標(biāo)記集[47]。利用來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、CIMMYT的96份代表性玉米自交系和387份育種計(jì)劃產(chǎn)生的中間材料、育成品系進(jìn)行檢測(cè)，確定了獲得不同標(biāo)記數(shù)目所需的測(cè)序深度。

與其他分子檢測(cè)平臺(tái)和技術(shù)相比，基于液相芯片的 GBTS技術(shù)具有多重技術(shù)優(yōu)勢(shì)[41]。（1）平臺(tái)廣適性：適合所有二代和三代測(cè)序系統(tǒng)，包括Illumina、Ion Torrent和MGI，并預(yù)期將與下一代測(cè)序或其他檢測(cè)設(shè)備兼容。（2）標(biāo)記靈活性：適合各種標(biāo)記類(lèi)型，包括SNP、短 SSR、長(zhǎng)/短 InDel、已知融合基因、甲基化位點(diǎn)等；適合不同的標(biāo)記密度；一款多用?？梢詮V泛利用單倍型、LD區(qū)段和其他標(biāo)記衍生物。（3）檢測(cè)高效性：可以進(jìn)行樣本和標(biāo)記的多重化；開(kāi)發(fā)和升級(jí)簡(jiǎn)便；設(shè)計(jì)、測(cè)試和檢測(cè)成本低。隨檢測(cè)技術(shù)進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化、智能化和超高通量。（4）信息可加性：數(shù)據(jù)重復(fù)率高，缺失數(shù)據(jù)少；不同時(shí)間、地點(diǎn)、項(xiàng)目間的數(shù)據(jù)具有可比性和累加性；數(shù)據(jù)整合度高。且信息可加性程度隨技術(shù)進(jìn)步而增強(qiáng)。（5）支撐便捷性：不依賴(lài)專(zhuān)業(yè)化的生物信息團(tuán)隊(duì)，可以采用通用而簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)進(jìn)行信息的整合、處理和分析。且隨著技術(shù)進(jìn)步，信息管理將更加便捷、快速、智能。（6）應(yīng)用廣普性：廣泛應(yīng)用于動(dòng)物、植物、微生物及其互作群體的進(jìn)化、遺傳、育種、 知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等領(lǐng)域。隨著海量信息的累積，將拓展在群體生物學(xué)、生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前來(lái)看，GBTS的缺點(diǎn)是無(wú)法達(dá)到固相芯片所能實(shí)現(xiàn)的標(biāo)記的超高密度，不適合高精度的GWAS分析。

基于GBTS的植物液相芯片系列產(chǎn)品及其分子檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)將在動(dòng)植物分子育種中發(fā)揮重要作用。在南繁育種中，可廣泛應(yīng)用于親緣關(guān)系分析、分子標(biāo)記輔助選擇、基因組選擇、品種身份鑒定、品系和雜交種純度檢測(cè)等領(lǐng)域[41]（圖 3），從而極大地提升育種相關(guān)的異地評(píng)價(jià)和選擇。依賴(lài) GBTS技術(shù)，可以打造高效、低成本的分子育種全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)模式。

作為綜合育種技術(shù)體系的一部分，在海南等南繁基地搭建的分子檢測(cè)平臺(tái)，將為包括熱帶作物在內(nèi)的主要農(nóng)作物開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不同系列和標(biāo)記密度的SNP標(biāo)記，推動(dòng)長(zhǎng)期被忽視的小宗作物、特種經(jīng)濟(jì)作物的遺傳評(píng)價(jià)和分子育種。分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)的全方位大規(guī)模使用及其抗病抗蟲(chóng)抗逆新品種的培育，將減少目標(biāo)作物產(chǎn)地農(nóng)藥和化肥的施用，提高南繁基地的使用效率，同時(shí)避免其過(guò)度使用和生態(tài)條件的惡化。

6 南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之綜合育種體系

6.1 綜合育種體系

南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)需要建立完整的綜合育種技術(shù)體系，也就是將各種現(xiàn)代育種技術(shù)整合在一起形成一條完整的鏈條[48]。綜合育種技術(shù)體系涉及多種育種方法的綜合應(yīng)用，包括常規(guī)育種程序以及在此基礎(chǔ)上整合各種現(xiàn)代育種技術(shù)和方法及其優(yōu)化和組合形式，主要包括DH育種、GS、快速育種、基因編輯和轉(zhuǎn)基因。隨著各種技術(shù)的綜合應(yīng)用，育種周期縮短、遺傳增益提升、育種效率提高、投入產(chǎn)出比增加（圖4）。整合多種方法和技術(shù)的育種體系將變每年南繁 1代為每年南育多代，同時(shí)大大降低品種的培育成本。

圖3 靶向測(cè)序-液相芯片技術(shù)在南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中的應(yīng)用
Fig. 3 Applications of genotyping by target sequencing and liquid chip in transformation and upgrading of Hainan off-season breeding industry

圖4 實(shí)現(xiàn)南繁育種轉(zhuǎn)型升級(jí)的綜合育種策略及其效率
Fig. 4 Integrative breeding strategies required for transformation and upgrading of Hainan off-season breeding industry and their efficiencies

綜合育種技術(shù)體系的重要元件之一是高效育種設(shè)施，即在現(xiàn)代化設(shè)施和裝備條件下培育適合自然條件下和設(shè)施農(nóng)業(yè)種植的新品種。高效育種設(shè)施包括三大要素，一是設(shè)施農(nóng)業(yè)，即通過(guò)控制植物生長(zhǎng)發(fā)育的各種外界條件來(lái)提高資源利用效率和作物生產(chǎn)效率并保護(hù)環(huán)境。荷蘭和以色列等國(guó)通過(guò)設(shè)施農(nóng)業(yè)創(chuàng)造了花卉和農(nóng)產(chǎn)品出口的奇跡。這種高效的設(shè)施農(nóng)業(yè)提高了作物產(chǎn)量和資源利用率，降低了污染和環(huán)境影響，同時(shí)改進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量（包括一致性、清潔程度、生產(chǎn)規(guī)模、時(shí)效且不依賴(lài)季節(jié)）。這些高端的設(shè)施農(nóng)業(yè)需要優(yōu)質(zhì)水分和空氣、污水處理、自動(dòng)化和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人工智能等的支撐。未來(lái)育種需要滿(mǎn)足設(shè)施農(nóng)業(yè)條件下的作物生產(chǎn)需求和特定條件的作物產(chǎn)品[22]。高效育種設(shè)施的第二要素是現(xiàn)代化的育種設(shè)施和裝備，包括試驗(yàn)和測(cè)試的全程機(jī)械化和自動(dòng)化，以日益減少對(duì)人工的依賴(lài)，提高效率，降低成本，同時(shí)緩解南繁用工荒。第三要素是基于種子DNA的分子檢測(cè)技術(shù)[49]，即建立適合多種作物大規(guī)模和常規(guī)化種子 DNA分析和檢測(cè)技術(shù)，從而在播種前完成分子標(biāo)記輔助選擇，淘汰大部分需要進(jìn)行田間測(cè)試的材料，以提高南繁基地的土地使用效率。高效育種設(shè)施的建立將更加經(jīng)濟(jì)有效地利用各種南繁資源，包括生態(tài)資源、土地資源、人力資源和平臺(tái)設(shè)施。

第二個(gè)需要整合到綜合育種體系的技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展的快速育種（圖 4）?？焖儆N主要是通過(guò)調(diào)節(jié)光照和溫度等條件迫使植物以最快速度完成其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，以大大縮短其生育周期，從而加快育種進(jìn)程[18]?？焖儆N通常是在前述設(shè)施農(nóng)業(yè)的條件下實(shí)現(xiàn)的。與自然條件下的溫室相比，快速育種能夠?qū)⑿←湣⒋篼?、鷹嘴豆、油菜的每?—3代增加到4—6代。這一概念目前已經(jīng)擴(kuò)展到通過(guò)調(diào)節(jié)影響生長(zhǎng)發(fā)育的所有基因，針對(duì)同一作物的不同基因型設(shè)置特定的環(huán)境條件和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子，實(shí)現(xiàn)其快速生殖生長(zhǎng)[50]。更進(jìn)一步，通過(guò)獲得促進(jìn)植物快速生長(zhǎng)發(fā)育的最佳基因組合或單倍型，實(shí)現(xiàn)與分子標(biāo)記輔助選擇相結(jié)合的快速育種。

第三類(lèi)需要整合的育種技術(shù)是轉(zhuǎn)基因和基因編輯技術(shù)（圖 4）。在頂尖跨國(guó)公司，轉(zhuǎn)基因早已成為整個(gè)育種鏈條的一部分，通常將最好的育種材料作為“底盤(pán)”品種用于轉(zhuǎn)基因，站在“巨人的肩膀上”添磚加瓦。由于不同材料轉(zhuǎn)化能力的差異，通常只用一些組織培養(yǎng)特性好的材料作轉(zhuǎn)化系。由于轉(zhuǎn)化系的某些農(nóng)藝性狀可能不夠理想，通常采用轉(zhuǎn)化的材料作供體，通過(guò)標(biāo)記輔助的回交，把轉(zhuǎn)基因性狀轉(zhuǎn)移到最好的育種材料中去。目前，大型跨國(guó)公司通過(guò)大規(guī)模分子標(biāo)記輔助的回交育種，將2—7個(gè)轉(zhuǎn)基因同時(shí)導(dǎo)入數(shù)百個(gè)不同的品系，以獲得與輪回親本高度相似的育成品系（吳坤生2017，私人通訊）。與轉(zhuǎn)基因一樣，基因編輯技術(shù)也較容易整合到南繁育種程序中?；蚓庉嬎a(chǎn)生的優(yōu)異變異也可以通過(guò)分子標(biāo)記輔助的回交轉(zhuǎn)移到遺傳背景優(yōu)良的材料中去。此外，分子標(biāo)記技術(shù)亦可用于轉(zhuǎn)基因轉(zhuǎn)化體的檢測(cè)和在基因編輯過(guò)程中大規(guī)模篩選和鑒定目標(biāo)基因組區(qū)域的特定變異。

DH技術(shù)是第四類(lèi)應(yīng)該被整合的育種技術(shù)（圖4）。采用DH育種技術(shù)，通過(guò)單倍體的誘導(dǎo)和加倍，可以在2代的時(shí)間內(nèi)完成常規(guī)育種8—10代才能達(dá)到的穩(wěn)定和純合狀態(tài)。采用胚拯救和組織培養(yǎng)技術(shù)可以在較小的實(shí)驗(yàn)室空間完成大規(guī)模的單倍體誘導(dǎo)和加倍，從而通過(guò)對(duì)少量材料的加倍實(shí)現(xiàn)常規(guī)育種條件下需要大面積繁殖和選擇才能獲得的穩(wěn)定和純合材料，因而極大地提高了育種效率。另一方面，對(duì)大規(guī)模穩(wěn)定純合育種材料進(jìn)行分子標(biāo)記輔助篩選，可以代替田間表型評(píng)價(jià)以大量淘汰不符合育種目標(biāo)的DH系。結(jié)合基于種子 DNA的分子標(biāo)記檢測(cè)，甚至可以在播種前進(jìn)行DH系的篩選和評(píng)價(jià)，只保留符合育種目標(biāo)的DH系。這種大規(guī)模實(shí)驗(yàn)室和播種前的篩選和淘汰技術(shù)特別適合于在土地資源有限的南繁育種中采用。

第五類(lèi)可以整合到綜合育種體系的技術(shù)是全基因組選擇（圖 4）。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于動(dòng)植物的遺傳改良，特別適合復(fù)雜性狀的異地選擇。為了品種的環(huán)境和生態(tài)適應(yīng)性，只能一個(gè)季節(jié)在本地、一個(gè)季節(jié)在異地，交替進(jìn)行復(fù)雜性狀的常規(guī)選擇。通過(guò)全基因組選擇，可以在本地構(gòu)建目標(biāo)性狀的遺傳模型，建立性狀和標(biāo)記之間的預(yù)測(cè)關(guān)系。然后在異地根據(jù)材料的分子標(biāo)記基因型對(duì)其目標(biāo)性狀進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)異地選擇。這種本地和異地交替進(jìn)行的全基因組選擇模式可以在育種實(shí)踐中通過(guò)育種群體和數(shù)據(jù)的累積而不斷完善和優(yōu)化，以獲得適合異地選擇的全基因組選擇方案。借助于全基因組選擇，還可以進(jìn)行連續(xù)的異地選擇，將育種程序從本地一季、異地一季改變?yōu)楸镜匾患?、異地兩季或多季，從而大大加快育種進(jìn)程，提高育種效率。

6.2 資源共享的開(kāi)源育種模式與應(yīng)用

分子標(biāo)記輔助育種、全基因組選擇、轉(zhuǎn)基因、基因編輯等在國(guó)際跨國(guó)公司已經(jīng)成為常規(guī)的分子育種技術(shù)。中國(guó)由于組學(xué)支持的商業(yè)化育種起步較晚，動(dòng)植物育種還分散在大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)和數(shù)目眾多的中小公司。大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)有的分子育種主要是國(guó)家項(xiàng)目支持下的示范性研究，無(wú)法大規(guī)模推廣使用。中小種業(yè)公司因?yàn)橐?guī)模小而缺乏效率，也難以實(shí)現(xiàn)分子育種的常規(guī)化。

借鑒國(guó)際跨國(guó)公司管理大量育種站和育種項(xiàng)目、分享信息和資源的實(shí)踐，可以考慮在中小育種公司或公共育種單位實(shí)施開(kāi)源育種策略，即把各個(gè)分散的中小育種單元看作大公司下的一個(gè)育種團(tuán)隊(duì)或育種站，實(shí)施與大公司內(nèi)部一樣的育種程序以及資源和信息共享的策略[51]，以部分實(shí)現(xiàn)跨國(guó)種業(yè)內(nèi)部的共享機(jī)制，提高育種效率。在南繁育種中，通過(guò)整合中小公司和育種單位之間的資源和信息，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)源育種模式下的聯(lián)合育種。在國(guó)際上已經(jīng)倡導(dǎo)和實(shí)施了開(kāi)源育種計(jì)劃。國(guó)際農(nóng)業(yè)研究磋商組織（Consultative Group for International Agricultural Research，CGIAR）與康奈爾大學(xué)等單位合作，建立了基因組開(kāi)源育種信息聯(lián)盟（Genomic and Open-source Breeding Informatics Initiative, GOBii；http://cbsugobii05.biohpc.cornell.edu/wordpress/）和卓越育種平臺(tái)（Excellence in Breeding Platform，EiB）[52]，以推動(dòng)基于信息平臺(tái)的開(kāi)源育種。在中國(guó)，已經(jīng)有幾個(gè)正在嘗試中的類(lèi)似于開(kāi)源育種的項(xiàng)目。一是通州國(guó)際種業(yè)公司牽頭組織的全基因組選擇計(jì)劃，組織大學(xué)、科研單位和種業(yè)公司聯(lián)合開(kāi)展玉米百個(gè)群體的全基因組選擇，采用共享的數(shù)據(jù)構(gòu)建全基因組選擇模型。二是玉米育種企業(yè)和科研單位自發(fā)組織起來(lái)成立的“中科玉九所聯(lián)盟”。該聯(lián)盟從2014年開(kāi)始每年一月在海南省樂(lè)東縣九所鎮(zhèn)舉行“九所玉米育種大會(huì)”，共享育種技術(shù)和平臺(tái)，交流育種經(jīng)驗(yàn)、分享育種材料，開(kāi)展新品種聯(lián)合測(cè)試。這類(lèi)開(kāi)源育種模式，通過(guò)共享資源和信息，所得結(jié)果可以反饋給信息和模型構(gòu)建系統(tǒng)，以不斷優(yōu)化育種技術(shù)和選擇模型。

6.3 跨動(dòng)植物的共性技術(shù)、平臺(tái)和應(yīng)用

長(zhǎng)期以來(lái)“動(dòng)、植物遺傳育種”分為相互獨(dú)立和分割的兩家，雙方存在極少的交流和共享。這種分化反映在國(guó)家科研規(guī)劃和項(xiàng)目的建立和實(shí)施、動(dòng)植物育種專(zhuān)業(yè)會(huì)議的舉辦、專(zhuān)業(yè)和專(zhuān)家有關(guān)的微信群的交流、相關(guān)專(zhuān)家的朋友圈和人脈關(guān)系、動(dòng)植物育種人才的培養(yǎng)、動(dòng)植物育種和產(chǎn)業(yè)的成果鑒定等方面。盡管在動(dòng)植物育種相關(guān)的基礎(chǔ)領(lǐng)域，比如數(shù)量遺傳學(xué)領(lǐng)域，存在比較微弱的共享和交流，但大體上也是貌合神離，缺乏充分交流和溝通。在動(dòng)植物育種分化為兩大類(lèi)群的同時(shí)，動(dòng)物和植物內(nèi)部也存在很大程度的分化和隔離。例如，在分子植物育種領(lǐng)域，主要的學(xué)術(shù)交流和活動(dòng)都以物種或生物類(lèi)群為基礎(chǔ)進(jìn)行細(xì)分，由主要學(xué)會(huì)下屬的相關(guān)分會(huì)組織交流。在動(dòng)植物之間，完全缺乏有效的交流渠道，更沒(méi)有技術(shù)、平臺(tái)和資源等的共享。

為推動(dòng)中國(guó)動(dòng)植物育種的現(xiàn)代化和商業(yè)化，為在現(xiàn)階段追趕國(guó)際跨國(guó)育種公司，急需在全國(guó)范圍內(nèi)建立共享的動(dòng)植物分子育種體系，以解決中國(guó)動(dòng)植物育種規(guī)模小、效率低、技術(shù)落后、設(shè)備和平臺(tái)分布不平衡且使用不到位等關(guān)鍵問(wèn)題。構(gòu)建全國(guó)動(dòng)植物分子育種共享技術(shù)和平臺(tái)，可以聚合全社會(huì)的力量，以解決動(dòng)植物分子育種領(lǐng)域的共性理論、技術(shù)、平臺(tái)和應(yīng)用問(wèn)題。在南繁作物育種中，建議發(fā)展跨作物的分子育種方法（基因編輯獲取DH系）、技術(shù)（全基因組選擇）和平臺(tái)（液相芯片檢測(cè)）。統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)南繁分子育種資源、平臺(tái)和設(shè)施，以提高建設(shè)和投資效率。同時(shí)建立統(tǒng)一的分子育種培訓(xùn)和技術(shù)保障體系。近年來(lái)，在動(dòng)植物領(lǐng)域?qū)＜业墓餐ο拢匍_(kāi)了每年一次的前沿分子育種技術(shù)研討會(huì)。在第一次研討會(huì)（2019年5月15—17日，北京）上，發(fā)布了“動(dòng)植物分子育種共性技術(shù)和平臺(tái)合作聯(lián)盟”倡議書(shū)。期待建立動(dòng)植物分子育種聯(lián)盟，開(kāi)展共性理論的探討，共性技術(shù)的開(kāi)發(fā)，共性平臺(tái)的構(gòu)建，共性應(yīng)用的實(shí)踐。鑒于海南貿(mào)易島的建設(shè)包括動(dòng)植物引進(jìn)中轉(zhuǎn)基地，跨動(dòng)植物的共性技術(shù)、平臺(tái)和應(yīng)用將推動(dòng)海南種業(yè)向動(dòng)植物融合的領(lǐng)域發(fā)展。

6.4 資源引進(jìn)、監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)

南繁科學(xué)研究基地的建設(shè)將圍繞動(dòng)植物育種科技、國(guó)際種業(yè)貿(mào)易、種質(zhì)資源產(chǎn)權(quán)交易、生態(tài)土壤肥料、種業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)交易、熱帶特色農(nóng)科等六大方面展開(kāi)。為打造面向世界的一流全球動(dòng)植物種質(zhì)資源引進(jìn)中轉(zhuǎn)基地，需要在資源引進(jìn)、監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)中廣泛采用分子檢測(cè)技術(shù)。分子檢測(cè)技術(shù)在這些領(lǐng)域的應(yīng)用也將成為南繁種業(yè)綜合育種體系的一部分。要采用分子檢測(cè)技術(shù)，對(duì)引進(jìn)資源中的各種伴生生物和病蟲(chóng)草害等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；要結(jié)合表型和環(huán)境適應(yīng)性鑒定，進(jìn)行生物學(xué)特性和遺傳變異的全基因組評(píng)價(jià)（圖 3）。例如，理論上，可以針對(duì)不同病蟲(chóng)害的生物種群或小種開(kāi)發(fā)特異性的分子標(biāo)記。采用一套 2K的分子標(biāo)記，有可能從混合樣本中檢測(cè)同一病蟲(chóng)害的多個(gè)不同生理種群或小種，或者多種不同的病蟲(chóng)害類(lèi)型。對(duì)不同環(huán)境下采集的病蟲(chóng)害樣本進(jìn)行全方位檢測(cè)，將有助于了解病蟲(chóng)害的發(fā)生、發(fā)展、變異和流行規(guī)律，從而制定合理的病蟲(chóng)害管理和防治措施[41]。

6.5 資源指紋圖譜、品種保護(hù)和種子質(zhì)量和純度檢測(cè)

DNA指紋圖譜庫(kù)將成為未來(lái)重要的遺傳資源。建立中國(guó)推廣品種高密度、可比性強(qiáng)、數(shù)據(jù)可以累加和共享的高精度 DNA指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，將為品種保護(hù)制度與國(guó)際接軌提供技術(shù)支撐，為品種資源交流的規(guī)范化提供保障。DNA指紋圖譜數(shù)據(jù)可為育種親本的親緣關(guān)系提供依據(jù)，為全基因組選擇育種提供背景信息，為品種保護(hù)和新品種查重、DUS鑒定等提供參照數(shù)據(jù)。通過(guò)上述開(kāi)源育種和資源共享所培育的新品種，可根據(jù)材料的指紋圖譜，推斷不同材料對(duì)新育成品種的遺傳貢獻(xiàn)，從而根據(jù)遺傳貢獻(xiàn)的大小進(jìn)行利益的分享。因此，未來(lái)的資源共享可以在全基因組指紋圖譜構(gòu)建和品種保護(hù)的前提下，完全實(shí)行開(kāi)放式，即任何育種單位和個(gè)人都可以獲得他人記錄在案的育種材料用于育種或選擇，只要根據(jù)指紋鑒定結(jié)果，依據(jù)親本貢獻(xiàn)大小按比例分享育成品種的收益即可。

傳統(tǒng)的品系和雜交種純度鑒定方法是通過(guò)田間種植，根據(jù)表現(xiàn)型來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)和估計(jì)。為了趕在本地種植季節(jié)前完成純度鑒定，海南成為很多作物種子純度鑒定的基地?，F(xiàn)已建立了一套基于 DNA分子標(biāo)記的純度鑒定方法。采用近百個(gè)SNP標(biāo)記對(duì)近200粒種子（大粒物種）或幼苗葉片（小粒物種）進(jìn)行多重PCR和多重樣本（sample-plex）檢測(cè)，就能高效低成本地快速檢出雜交種子的純度。同時(shí)，采用數(shù)量更多的分子標(biāo)記，還能鑒定親本純度以及外來(lái)花粉導(dǎo)致的其他混雜基因型。這種不依賴(lài)于田間表型評(píng)價(jià)的種子純度鑒定將節(jié)省大量的耕地，使有限的南繁基地可以更多地用于育種材料的評(píng)價(jià)和選擇。

7 總結(jié)：分子植物育種助推南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

南繁種業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)所涉及的領(lǐng)域目前已經(jīng)取得了如下重要進(jìn)展：（1）倡導(dǎo)了支撐異地選擇的環(huán)境型鑒定新概念。（2）建立和優(yōu)化了作物基因組選擇系統(tǒng)。（3）通過(guò)九所育種聯(lián)盟開(kāi)啟了植物開(kāi)源育種模式。（4）與CIMMYT等國(guó)際農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期合作打通了通向東南亞的國(guó)際合作育種的通道。（5）動(dòng)植物共享分子育種平臺(tái)的倡議為平臺(tái)和資源共享提供了模式。（6）大規(guī)?；蚩寺『凸δ軜?biāo)記的開(kāi)發(fā)，為主基因性狀分子標(biāo)記輔助的異地選擇奠定了基礎(chǔ)。（7）高效低成本國(guó)產(chǎn)化分子檢測(cè)技術(shù)體系的開(kāi)發(fā)，為在海南建立分子檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)、服務(wù)南繁育種奠定了基礎(chǔ)。

搭建高通量分子育種技術(shù)平臺(tái)，將帶動(dòng)分子檢測(cè)和育種在海南和南繁基地的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)南繁工作從低價(jià)值的繁種加代向高價(jià)值的繁殖+品種選育轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步提升海南和南繁基地在中國(guó)種業(yè)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位。特別是將超低成本的液相芯片技術(shù)與基因組選擇、快速育種、轉(zhuǎn)基因、基因編輯、合成生物學(xué)等技術(shù)相結(jié)合，將導(dǎo)致育種領(lǐng)域的革命。通過(guò)多重學(xué)科和多種技術(shù)的交叉融合，推動(dòng)作物育種向定向生物合成、分子設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)和人工智能輔助的新一代育種模式轉(zhuǎn)變。利用海南省三亞的地理優(yōu)勢(shì)，不難實(shí)現(xiàn)每年4—5個(gè)育種世代的快速育種。綜合育種平臺(tái)和快速育種流程的建立必將推動(dòng)三亞發(fā)展成為中國(guó)種業(yè)之都，并為海南經(jīng)濟(jì)的發(fā)展創(chuàng)造新機(jī)遇。本文的討論主要針對(duì)植物育種，但相關(guān)的分子育種理論、技術(shù)、平臺(tái)和應(yīng)用也適合其他生物，包括畜禽、水產(chǎn)等領(lǐng)域的生物種業(yè)和南繁育種。

致謝：感謝以下項(xiàng)目的資助：山東省省級(jí)科技創(chuàng)新基金和濰坊市“一事一議”人才引進(jìn)項(xiàng)目；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新計(jì)劃；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所中央非公益類(lèi)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目；比爾蓋茨基金會(huì)、CGIAR MAIZE項(xiàng)目。