分享一篇水文，来自海南热带农业资源研究所今年发表在《分子植物育种》上的一篇综述。
摘要
植物育种的未来正在朝着更高的精度、效率和可持续性发展。育种5.0代表了未来植物育种的前沿，通过基因组编辑、人工智能和大数据分析等创新技术和方法彻底改变了该领域，实现了遗传信息的整合和编辑。这将给全球农业带来革命性的变化，提高粮食生产力，改善粮食质量，增强对气候变化的抵御能力。展望未来，精准农业和个性化育种将是发展的重要方向。基于荧光的杂交和显微成像等技术的发展将推动育种的进步，而专注于环境适应性和气候变化的战略将有助于应对不断变化的环境挑战。育种5.0的前沿技术和方法，全球粮食系统对人类粮食安全的改造，以及科学合作和跨学科研究的意义，将塑造植物育种的未来方向和进展。
简介
随着全球人口的增加和气候变化等全球挑战的出现，农业面临着前所未有的压力。为了满足日益增长的粮食需求，增强作物适应性，改善农艺性状，植物育种作为农业关键技术，变得越来越重要。
在过去的几十年里，植物育种取得了巨大的进步，从传统的性状性能选择向基因型选择的精准革命（育种3.0）演进，并进一步向遗传信息整合和编辑的育种革命（育种4.0）发展。育种4.0标志着遗传信息整合和编辑技术的广泛应用，为育种工作带来了新的可能性和机遇。另一方面，育种 5.0 涉及基因组选择、高通量表型分析和数据分析等先进技术的整合，使育种策略更加精确和高效。
在育种4.0时代，通过整合遗传和基因组信息，我们可以精确选择和编辑植物基因型，从而实现更高效、更快速的育种目标。CRISPR-Cas9系统等基因组编辑技术的出现，使我们能够直接干预植物基因组，实现靶向基因编辑和功能基因调控。
随着人工智能和大数据的快速发展，植物育种出现了前所未有的机遇。机器学习和数据分析的应用使我们能够更好地理解和预测植物性状与基因组之间的关联，加速育种过程并优化育种策略。育种5.0的特点是在育种中运用先进的技术和方法，注重精准、高效，探索新的育种策略和遗传潜力。
展望未来，植物育种将继续面临许多挑战，例如伦理和道德考虑、可持续农业和社会责任。然而，作为未来的趋势，育种5.0将不断推动植物育种的创新和进步，为全球农业可持续发展做出更大的贡献。
1. 技术和方法的创新
1.1 基因组编辑和精确基因组设计
育种5.0将进一步推进基因组编辑技术，例如改进CRISPR-Cas9系统和引入新的基因编辑工具。这些技术将实现更精确和高效的基因组修饰，包括敲除、敲入、基因功能校正或替换特定 DNA 片段。精准的基因组设计将成为常规方法，使育种者能够准确地在植物基因组中引入或删除目标基因，从而实现特定性状的调控和优化，创造更强的作物品种，增强抗旱抗病性，提高产量。此外，该技术将用于提高作物的营养价值并增强其适应环境条件的能力。
1.2 人工智能和大数据在育种中的应用
育种5.0将广泛采用人工智能和大数据分析技术。通过机器学习、深度学习和数据挖掘等方法，我们可以更好地分析和解读海量的植物遗传和表型数据。人工智能算法将有助于发现潜在的基因性状关联，预测植物性状和质量，并优化育种策略。大数据的应用也将加快育种过程，提高选育效率，为育种决策提供科学依据。
事实上，人工智能和大数据在育种领域已经显示出巨大的潜力。例如，现代植物育种依赖于基因组和表型选择，涉及对大型数据集的分析。人工智能在处理这些复杂的数据集方面发挥着至关重要的作用，特别是在高通量表型分析、基因组选择和环境数据分析方面。此外，利用人工智能和大数据分析可以加快育种计划，特别是在将基因型与表型联系起来方面。这种整合可以快速识别关键基因，从而加速作物改良过程。
大数据分析提高了作物育种中复杂性状预测的准确性。使用大量的基因型和表型信息可以更准确地预测作物产量和其他重要性状。
此外，人工智能的进步为育种开辟了新的可能性。ChatGPT 等自然语言处理模型可用于解析和理解大量科学文献和研究成果，为育种者提供更广泛的知识和信息。这些智能工具可以帮助育种者进行决策和预测，提供更准确、更全面的育种建议。
1.3 多组学整合和系统生物学方法的应用
育种 5.0 将进一步推进多组学整合和系统生物学方法在育种中的应用。整合遗传学、表观遗传学、转录组学、代谢组学等不同层次的组学数据，可以全面揭示植物性状与基因组的关系。系统生物学方法，如网络分析和代谢途径建模，将有助于更深入地了解植物的生物过程和相互作用网络，为实现育种目标提供新的策略和见解。
多组学方法在阐明作物的生长、老化、产量以及对生物和非生物胁迫的响应方面发挥着至关重要的作用。这些方法已应用于小麦、大豆、西红柿等重要作物，通过将功能基因组学与其他组学数据相结合，强调作物基因组与表型之间的关系。
通过将系统生物学与多组学数据集相结合，可以增强我们对作物改良分子调控网络的理解。“表型到基因型”和“基因型到表型”的概念可以促进作物育种的改良，特别是在环境胁迫条件下。
毋庸置疑，随着技术和方法的创新，育种5.0将进一步提高育种效率、精确度和可持续性。通过基因组编辑和精确的基因组设计，植物的遗传改良将变得更加准确和可控。人工智能和大数据的应用将加快育种过程，优化育种策略。多组学整合和系统生物学方法的使用将加深我们对植物性状和基因组的理解，为实现育种目标提供更全面的支持。
2. 新兴领域和应用
育种5.0将积极探索新兴领域和应用，满足精准农业和个性化育种的需求。它将利用基于荧光的杂交和显微成像等技术来加深我们对植物生物学的理解。此外，还将重点提高环境适应性和制定育种战略以应对气候变化，从而促进可持续农业和粮食安全。这些新兴领域和应用的发展将进一步推动植物育种的创新和进步。
2.1 精准农业和个性化育种
育种5.0将与精准农业相结合，实现更加个性化的育种策略。精准农业利用传感器技术、遥感和地理信息系统等技术，以及相机和移动机器人等工具，分析真实农田环境中农作物的生长状况。这为精确管理和育种实验提供了关键信息。通过结合育种5.0的技术和方法，我们可以准确地选择和培育适合特定环境条件和农业需求的作物品种。这种个性化的育种方法将使农业生产更具可持续性，提高产量和质量，并减少资源浪费和环境影响。
2.2 基于荧光的杂交和显微成像技术的进步
荧光原位杂交（FISH）技术和显微成像技术在植物育种中的应用取得了重大进展。这些技术不仅在基因定位和表达分析中发挥着至关重要的作用，而且在理解植物生长发育的分子机制方面也发挥着至关重要的作用。在育种5.0时代，基于荧光的杂交和显微成像技术在育种中的应用将得到进一步发展。
基于荧光的杂交技术可帮助研究人员直观地观察和分析植物中的基因表达和蛋白质相互作用，从而深入了解植物的生物过程。例如，通过将FISH技术与免疫荧光技术相结合，可以将特定的蛋白质和DNA序列定位在玉米突触复合物上。该技术广泛应用于植物减数分裂染色体的研究，对于理解基因重组过程至关重要。FISH和显微成像技术用于在单细胞水平上精确测量基因表达，极大地有助于理解空间或时间依赖性过程对植物生长和发育的影响。
随着显微成像技术的进步，我们可以高分辨率和实时地观察植物细胞和组织的结构和功能。例如，FISH技术与高通量和超分辨率显微镜相结合，已被用于绘制和空间定义不同基因组区域之间的接触频率。这些方法极大地有助于理解细胞核中人类基因组的包装。新开发的显微成像方法，如扩展显微镜（ExM），使得在传统荧光显微镜上实现核糖核酸（RNA）的纳米级成像成为可能，从而在细胞或亚细胞水平上提供基因表达的复杂模式信息。
这些技术的应用将为育种提供更多的信息和工具，帮助我们更好地理解和操纵植物性状和适应性。
2.3 气候变化下的环境适应性与育种策略
育种5.0将专注于开发适应不断变化的环境和气候条件的作物品种。随着全球气候变化的加剧，农作物面临更频繁的极端天气事件和压力。因此，育种者将加强育种策略，以适应环境和气候稳定性。
植物的基因型对环境变化的反应不同。研究表明，基因型-环境 （GxE） 相互作用显着影响不同环境条件下作物品种的表型响应，这对作物育种者至关重要。
表观遗传变化在帮助植物适应环境胁迫方面起着关键作用。这些变化可以帮助植物“记住”过去的压力事件，使它们能够更有效地应对未来的挑战。这种“植物胁迫记忆”对于提高作物适应性和产量潜力至关重要。
通过“环境预测”方法（基于广义加性模型和大规模环境协变量数据）量化气候驱动因素对作物产量的影响并预测不同生产情景的最佳环境条件，对于开发适应特定区域气候的作物品种至关重要。
在不同环境条件下对作物进行多环境试验（MET）是评估作物生产力和适应性的重要手段。这种方法有助于识别在不同气候条件下稳定表现的高产作物品种。
综上所述，应对气候变化挑战的植物育种关键策略包括了解和利用基因型与环境之间的相互作用，应用环境预测方法，利用表观遗传变化，以及开展多环境试验以提高作物适应性和产量稳定性。
3. 未来展望与挑战
3.1 育种5.0的前沿技术和方法
育种5.0将见证更多前沿技术和方法的出现，推动育种工作更上一层楼。基因组编辑、合成生物学、人工智能和高通量表型分析等新技术将在育种方面带来突破。基因组编辑技术的发展将使植物基因组的更精确修饰成为可能，实现更快、更准确的育种目标。合成生物学的应用将允许设计和构建全新的基因组，从而开启新的育种可能性。人工智能和大数据的应用将使育种过程更加高效和智能，提供更准确的预测和决策支持。在植物育种5.0时代，基因组编辑技术、机器学习和高通量表型鉴定技术将成为推动植物育种创新的关键工具。这些尖端技术的应用将有助于提高作物产量、质量和抗逆性，实现更高效、更精确、更快速的育种目标。
3.2 人类粮食安全和全球粮食系统的转变
育种5.0在人类粮食安全和全球粮食系统中面临重大挑战和变革。随着全球人口的持续增长和粮食需求的增加，如何在有限的资源下提高粮食产量、提高粮食质量和多样性是一个挑战。在植物育种5.0时代，先进的统计方法和基因编辑技术将用于控制关键作物基因的等位基因变异，从而实现优良品种的快速生产。这需要利用技术和大数据的力量来识别在不同环境中表现最佳的基因型，并实现精准和智能农业的发展。还应关注农业生产对环境的影响，促进农业生产向可持续性转变。此外，育种5.0将积极参与全球粮食体系转型，促进可持续农业和粮食生产方法的发展，减少粮食浪费和资源消耗，确保人类粮食安全，实现可持续发展目标。例如，解决农业生产中与水资源依赖和环境退化相关的问题需要对粮食系统进行根本性改革，以实现可持续发展目标。
3.3 科学合作和跨学科研究的重要性
育种5.0的实现需要科学界和跨学科研究的广泛合作。面对复杂的育种挑战和伦理问题，科学家需要合作，共享知识和资源，并加强合作研究工作。育种 5.0 需要整合植物学、遗传学、生物信息学和工程学等多个学科的知识和技术，以更全面、更系统的方式应对育种挑战。此外，与农民、政策制定者、非政府组织和社会机构的合作对于育种 5.0 至关重要。只有通过广泛的合作和跨学科研究，我们才能更好地应对未来育种的挑战，实现粮食安全和可持续农业目标。
4. 结论
育种5.0作为未来植物育种的前沿，具有巨大的前景和潜力。通过引入基因组编辑、人工智能、大数据分析、多组学整合等前沿技术和方法，育种5.0将实现更精准、更高效、更可持续的育种目标。这将给全球农业带来革命性的变化，提高粮食产量，提高粮食质量，增强对气候变化的抵御能力。育种5.0的预期潜力为植物育种的未来注入了信心，相信它将为应对全球农业挑战做出重大贡献。
植物育种在应对全球农业挑战方面发挥着至关重要的作用。通过育种努力，我们可以培育出产量更高、营养更丰富、更能抵御逆境的作物，满足日益增长的粮食需求并适应环境压力。植物育种的进步不仅对农业发展至关重要，而且对全球粮食安全、环境保护和整个社会经济的可持续发展也至关重要。作为植物育种的未来方向，育种5.0将通过创新的技术和方法为全球农业挑战提供解决方案，推动农业走向可持续性、效率和环境责任。
总之，育种5.0展望了植物育种的未来发展和挑战。通过引进尖端技术和方法，加强合作研究和跨学科合作，我们有信心应对未来的农业挑战，实现全球粮食安全和可持续农业的目标。植物育种将继续在促进农业创新发展方面发挥关键作用，为人类社会带来更加繁荣和可持续的未来。
然而，育种5.0的实现仍然需要广泛的研究和创新，包括对基因组和基因功能的深刻理解，以及遗传改良技术的持续改进。此外，我们必须解决育种 4.0 和 5.0 引起的道德、法律和社会问题，确保育种技术的安全性和可持续性。尽管面临诸多挑战，但育种5.0的实施代表了育种的未来发展方向，为探索更智能、更高效、更可持续的农业生产提供了无限可能。
第一次看到该领域全文没有一张图片的综述，见原文链接：https://genbreedpublisher.com/index.php/mpb/article/html/3993
作者：生物信息与育种，若要及时了解动态信息，请关注同名微信公众号：生物信息与育种。
