每年的中央一号文件都会关注“三农”问题，因为农业是关乎“吃饭”的部门，是维系人民身体健康和国家长治久安的首要问题。

而在农业生产资料中，种子的重要性不言而喻。

优质种子的标准主要有三个：高产，低投，高质。

高产，就意味着同样的生产条件下，能够产出更多的农产品；

低投，指的是种植该种子时所需要的投入（例如水、肥、农药、阳光等）有所减少，而且产量不会因此而降低；

高质，则意味着该品种的农产品有着更好的品质。例如，对于大豆而言，更多的蛋白和油脂就是更好的品质；对于水稻而言，更多的微量元素也是一种更好的品质。

那么，如何才能获得更优质的种子？

今天，就让我们将目光转向一种高精尖的育种科技——帮助我国突破育种技术瓶颈、让农业生产用种变得更加优质且安全的“设计育种科技”。

育种方法的四个“大版本”

学会留种，使人类从收集者转变为了从事种植农业的农民。时间一长，人们观察到，每一棵植株的表现都是不同的。

例如，有的高些，有的矮些；有的抽穗多，有的抽穗少；有的谷粒饱满，有的则干瘪。于是每次种植，人们都会从长得好的作物里保留种子，经过长期的选育，得到了最初的优质种。

这就是第一个版本的育种技术：驯化。

这种育种方法的好处是：非常简单（原始人也会）。然而坏处也很明显：如果亲本没有某种特性，那么子代也不可能有（除非基因突变）。

上方是现代驯化后的茄子，下方的白色小球是茄子驯化前的样子。现在你知道为什么茄子的英语叫eggplant（鸡蛋树）了吧？（图片来源：搜狐网）

随着遗传学（genetics）的发展，人们知道，作物之所以有不同的特性，是因为有不同的基因（gene）。

如果想要把不同的优良特性集中到同一个体中，可以使用杂交的办法，使得子代能够同时获得亲代的优良性状。

这就是第二个版本的育种技术：杂交育种。

相对于驯化选种，更新后的育种技术“杂交育种”的优势是很明显的：人们可以按照自己的意愿，人工选择自己想要的性状组合。但是，单纯的杂交育种也有一些劣势，最突出的问题就是育种周期很漫长。

遗传学规律告诉我们，基因是会分离的，也就是说，拥有某个性状的个体，其后代有一定概率没有这个性状。为了让这个性状稳定下来，必须多杂交几代。

举个例子，我们现在要培育一个又高产又抗病的小麦品种。目前有两种小麦亲本：高产而不抗病的A小麦，抗病而不高产的B小麦。

第一年，我们播种了A和B的杂交后代，直到收获时经过测量和实验，我们才能知道哪些是既抗病又高产的，进而把它们留下来。

第二年，我们播种了去年留下的小麦，发现它们的后代又出现了分离，但分离概率下降了一些。这一年收获时，我们需要再次验证哪些后代是抗病而高产的，留作下一年的播种使用。

每过一代，发生分离的概率就下降一点。

那么要经过多少代，才可以做到不再分离呢？还是以小麦为例，经过计算可以知道，差不多要上十代才可以，换言之，使用杂交育种的方法，培育一个新品种的小麦大约需要十年的时间。

要知道，这还是以小麦这种一年生作物作为例子的情形。

如果考虑水果育种的话，老话说得好：“桃三杏四梨五年”，小麦育种如果要十年，那梨树育种就得数十年起了。

那么，可有破解的办法？

仔细分析第二个版本的杂交育种方法之后，科学家们提出了这样一个问题：到底是什么占据了育种的大量时间呢？

我们必须分析每一代后代的性状，才能够判断出这些种子是不是我们想要的。但如果要得到后代，就必须等上一整个生长周期。对于水稻来说，最快也得三四个月；对于小麦来说，如果在田里进行的话，至少也得一年；而对于水果或者某些动物来说，需要数年才能得到后代。

那么，有没有办法在还没得到后代的情况下，就知道这个种子是否含有我们需要的基因呢？

随着分子生物学（molecular biology）的兴起，人们找到了这个问题的答案，也就是第三个版本的育种技术：分子标记辅助育种。

简单来说，分子标记就是一种可以识别的DNA序列。

让我们继续以上面的小麦育种为例。

此时，我们已经知道了A小麦的高产基因附近会带有一段X序列，而B小麦的抗病基因附近带有一段Y序列。

那么，在收获了AB小麦的杂交后代之后，直接对每一个后代进行“核酸检测”，就可以知道这些后代里哪一些是同时含有X和Y并且不会发生分离的了！

我们只需要直接保留这些后代，就不必再一年年地“播种——收获——检测”了，只要经过两代的杂交和验证就可以确保不分离。也就是说，不超过三年即可完成育种。

这里的X和Y就是分子标记。

分子标记辅助育种就像是给我们想要的基因加了个显示屏，可以看出种子里有没有想要的基因，这样就可以轻松地选择出想要的种子了。

分子标记育种的示意图。图中DNA分子上的绿色和黄色色块，表示我们已知的分子标记，每个颜色分别标记了不同的优质基因。通过分子技术，我们可以轻松找出哪些后代具有不分离的特性（同一个颜色含有两份）。让两种颜色各自得不分离植株杂交，就可以得到两种颜色都不分离的杂交种，育种即告成功（图片来源：Agriculture for impact, https://ag4impact.org/ ）

但是，分子标记育种仍然有其局限性。

最突出的特征就是，想要获得某个特定基因的分子标记，必须完全搞清这个基因附近的全部核酸序列，这个工作量是非常巨大的。

更重要的是，由于我国分子标记育种起步较晚，许多作物的重要基因周围的分子标记已经被国外的育种公司抢先识别并申请了专利。当我们想要使用这些分子标记时，不仅要缴纳高昂的费用，还需要取得授权，才能使用。

那么，难道在育种这件事上，我们就不得不受制于人吗？

其实，答案在文章开头已经提到了，高精尖的“设计育种”，帮助我国突破育种技术瓶颈、让农业生产用种变得更加优质且安全。而说到“设计育种科技”，就一定要说到中国科学院的“种子精准设计与创造”专项。

育种新概念——分子设计育种

什么是分子设计育种呢？

我们在育种的时候先想好有什么需求，然后直接把能够满足这些需求的基因“加”到种子的基因组里，这样就得到我们想要的种子了。

可是长期以来，人们还是不能完全搞明白自己的需求。这是因为基因是看不见摸不着的分子片段，我们一直在寻找所谓的“高产基因”“抗病基因”等优良的基因，但它们到底指的是哪些基因，长期以来一直没人能彻底说清。

后来人们知道，这些我们喜欢的好性状，很可能就不是由一个基因控制，而是由多个基因控制的；有的性状虽然受一组基因控制，但这些基因之间由非常复杂的相互作用关系；有些性状甚至不是由基因控制的，而是由表观基因组控制的，根本不受经典遗传规律的支配，很难进行杂交育种……

因此，为了能够在育种技术上“弯道超车”，我们就必须抢在别人之前，将这些优秀性状相关的，而且非常复杂的基因、基因模块、分子网络和表观遗传组等遗传材料进行彻底的解析，这样我们就可以明确提出需求，进行育种路线和杂交过程的设计。

在二十年前，这一技术还只是畅想。而如今，人们已经站在了这一技术的大门前。这一次，我们没有在关键技术上落在其他国家后面。

随着我国基础科研工作取得长足进展，我们已经有能力进行这一技术的自主研发，得到自主知识产权的设计育种技术以及育种成果。

2020年5月，中国科学院启动了“种子精准设计与创造”先导专项，宣布我国的育种工作正式迈进了第四个大版本更新：设计育种。

那么，为了实现设计育种技术，中国科学院又是如何进行运筹帷幄的呢？

设计育种的攻关方向

如果我们把设计育种比作神笔马良，那么“种子精准设计与创造”先导专项着重解决如下四个方面的问题。

第一，“画”什么的问题，也就是种子精准设计的分子基础。

想画任何东西，都要事先知道这个东西是什么样子。画基因也不例外！

科学家们要去自然界中收集各种各样的基因序列，高产基因、抗病基因、耐盐基因、耐寒基因……将大量的基因序列收集起来作为“样本”，想要作画的时候，可以参考这些样本，一个个地“画”进去。

这还不是最难的。作物的很多复杂性状，例如抗寒、抗旱、高产等，并非只由一个基因决定，而是由隐藏在基因组或表观基因组里的分子调控网络控制的。我们不止要找到决定这些复杂性状的基因，还要破译它们的互作机制，找到决定性状的分子模块，这样才能够获得有重要育种价值的分子网络，为种子精准设计提供理论依据。

第二，用什么来“画”的问题，也就是种子精准设计的变革技术。

有了第一步中得到的基因或者分子模块，育种专家就可以精准地设计杂交过程和育种路线，育种速度就可以大大提升。

但是，专项并不满足于停留在上一代的杂交育种技术中，而是计划引领育种技术的变革，直接面向下一代精准设计育种技术。为此，中科院计划为育种工作者创造一支可以直接画基因的神笔，这“笔”就是一系列精准的植物基因编辑工具。

基因编辑技术从其刚刚问世，便吸引了科学界的持续关注。如今，科学家们在育种领域为基因编辑找到了新的用武之地。

现今的基因编辑技术还不足以大量地、精准地、稳定地对植物的基因组进行直接编辑。为此，种子精准设计与创造先导专项的另一个重大课题，就是研发出能够大量、精准、稳定地进行植物基因组编辑的分子工具。

这支神笔一旦问世，将会为我国分子育种事业乃至分子生物学基础科研事业，带来翻天覆地的变化。

第三，如何构图的问题，也就是如何进行精准设计。

无论是油画还是国画，画家作画需要讲究构图和层次，先画什么，再画什么。同样地，无论是用传统的杂交技术，还是用崭新的基因编辑技术，育种的时候，也必须注意基因之间的互作关系、先后次序等问题。

这就需要科学家充当“画家”和“设计师”的角色，综合考虑各方因素，最终确定精准设计的实现路线。

以前，育种工作者由于没有基因和性状解析的指引，只能到处试探，走一步看一步，虽然最后一定能到达目的地，但肯定会绕很多弯路。

但是现在的情况将大有改观，因为在前述的第一个问题中，科学家将解析作物的复杂性状，并且也会揭示并分析它们的分子网络，就好像得到了一张标记着育种目的地的地图。这张地图将指导着科学家在解析基因功能的基础上，对杂交组合和杂交过程进行精准设计，这样就可以找到最快通往目的地的路线。

也就是说，得到了这张“调控地图”，我们就可以像开了导航一样，直奔育种目的地，省下大量的时间，真正实现快速育种。

敲定路线之后，就可以按照这一路线进行实际操作啦。因此，到这一步，我们就可以得到一系列精准设计过的育种成品了。

第四，开个画展，也就是一系列开放平台的建设。

从前三个问题可以看出，设计育种的事业需要大量科学家的广泛参与和通力合作才能够实现。因此，必须建立一个平台，收集并展示所有科学家的“画作”，这样大家可以互相借鉴和共享资源，还能够集思广益、启发其他科学家的下一步工作。

为此，中科院种子精准设计与创造先导专项提出了建设“精准设计育种研究平台”，不但让科学家能够保存、展示收集到的基因序列模板，还为育种过程中产生的大数据提供平台，甚至还能够提供标准化的性状鉴定自动化服务和性状采集传输服务。

该平台的搭建，使得育种工作者不再一个人“战斗”，足不出户就能共享全国的设计育种资源，育种工作的效率将得到极大提升。

设计育种的未来：守住老百姓的饭碗

中国科学院遗传与发育生物学研究所是我国育种领域的老牌科研单位，笔者在遗传所读书时，曾听过一个说法：“遗传所的每个老师都会做育种”，更不用提李家洋院士、傅向东研究员等巨擘名宿了。

因此，遗传与发育生物学研究所责无旁贷地成为了“种子精准设计与创造”这一专项的依托单位，由李家洋院士担任首席科学家。

在遗传发育所的大力支持下，该专项已经取得了一系列重大突破和进展。专项启动一年多来，在异源四倍体野生稻快速驯化、氮高效调控关键基因解析、新型基因编辑器建立、小麦适应性进化关键机制、大豆泛基因组等领域取得了一系列重大进展。

截至目前，该项目共获得35个复杂性状调控因子和10个分子网络，建立同时编辑多碱基精准替换、精准多核苷酸删除、多重编辑和双功能编辑等系统4套，审定品种14个，推广水稻、大豆、小麦等200万亩，推广鱼苗10.65亿尾。

随着专项的开展，我们也渐渐看清了育种工作未来的方向。

目前，种质资源库正在稳步建设中，设计育种的关键工具也取得了一些初步可用的节点性版本。这说明我国的第四代育种技术已经站在了国际前列，拥有了不俗的竞争实力。

这对于迫切希望取得技术突破的高精尖科技行业来说，既是鼓舞，也是勉励。

更重要的是，设计育种技术的研发成功，将从根本上保护我国的用种安全，使我国农业不再受制于国外大型育种公司，为保障我国粮食安全做出重大贡献。

“谁说站在光里的才是英雄？”让我们向那些为了老百姓一粥一饭的安全付出心血的科学家们，致以最崇高的敬意吧！

特别致谢：借此机会，特别感谢笔者的硕士研究生导师李霞博士。

参考文献：

[1] 李家洋：定制一颗稻种，让我们吃得饱、吃得好、吃得健康

https://mp.weixin.qq.com/s/wOKGWXJKE6nqhcqpPssbuA

[2] “种子精准设计与创造”先导专项2020年度总结会顺利召开

http://www.genetics.ac.cn/xwzx/zhxw/202102/t20210208_5891026.html

[3] 《种子精准设计与创造专项子课题遴选申报指南》

[4] 傅向东：中国的育种科技差距在哪里

https://www.cas.cn/zjs/202012/t20201208_4770006.shtml

[5] 种康：生物育种锻造农业“芯片”

https://www.cas.cn/zjs/202201/t20220119_4822791.shtml

[6] Breeding by Design. Johan D. Peleman, Jeroen Rouppe van der Voort. DOI:https://doi.org/10.1016/S1360-1385(03)00134-1

中国科普博览是中科院科普云平台，由中科院计算机网络信息中心主办，依托中科院高端科学资源，致力于传播前沿科学知识，提供趣味科教服务。