秦曉婧， 鄭懷國， 張 輝， 張曉靜

(北京市農林科學院數(shù)據(jù)科學與農業(yè)經濟研究所，北京 100097)

種子是農業(yè)的“芯片”，是國家糧食安全的命脈，加強種業(yè)科技創(chuàng)新，搶占生物技術育種制高點，縮小與美國等發(fā)達國家的差距，成為當今最為緊迫的問題。美國是全球最發(fā)達的農業(yè)強國，其農業(yè)研究是政府R&D長期投資的重點領域之一。美國農業(yè)部農業(yè)研究局(ARS)每5年制訂1個未來發(fā)展計劃(國家301計劃)[1-2]，“植物遺傳資源、基因組學和遺傳改良行動計劃”是國家301計劃作物生產與保護目標領域下的一個專項，其目的是利用植物的遺傳潛力來改變美國農業(yè)，使美國成為這一領域的全球領導者[2]，反映了美國在該領域國家層面的戰(zhàn)略部署。通過對國家301計劃文本和項目數(shù)據(jù)的文本挖掘，可分析出美國在作物種業(yè)領域的研發(fā)布局，對我國對標發(fā)達國家、前瞻性制定我國的植物育種科技戰(zhàn)略和研發(fā)計劃具有重要的參考意義。

1 美國作物種業(yè)研發(fā)布局分析

1.1 重點研發(fā)方向

農作物是美國農業(yè)和糧食安全的基礎。提高作物產量、產品質量和生產效率是保障國家農業(yè)經濟和糧食供應的必要條件。國家301計劃通過持續(xù)的作物種質資源的挖掘和優(yōu)化，提供具有更優(yōu)越潛力的新型作物來滿足作物生產力提升過程中的關鍵需求。自2012年至今ARS已發(fā)布3個國家301計劃[3-5]，分別是2013—2017、2018—2022、2023—2027。最新發(fā)布的2023—2027行動計劃，延續(xù)了前幾期的主要內容，重點研發(fā)集中在以下4個方面。

1.1.1 作物遺傳改良 在性狀發(fā)現(xiàn)、分析和優(yōu)良育種方法研發(fā)方面，通過對植物基因組測序和標注，以及對影響優(yōu)異性狀的基因定位和功能描述，了解育種種群、地方品種、作物野生近緣種和其他來源群體中廣泛存在的表型變異的遺傳基礎；通過新的遺傳基因庫的補充，得到多樣性的試驗種群，并采用高通量基因分型和高效定量表型分型技術進行功能性遺傳分析；開發(fā)和應用誘變技術、生物技術和基因組編輯技術，產生新的遺傳變異；組裝高分辨率、基于序列的基因組圖譜，以利用從模式物種獲得遺傳調控路徑的知識，并確定能夠連鎖所需等位基因群體的遺傳標記。 由于性狀測定常常成為遺傳分析和育種進程的主要瓶頸，因此需要創(chuàng)新高通量、定量化的表型分析方法。通過自動化、增加吞吐量、行化或使用新的傳感器及平臺，提高性狀分析的效率、精確度和成本效益；開發(fā)和應用機器學習模型及工具管理和提取有用的信息，并將來自大群體的表型、遺傳和其他基因水平的數(shù)據(jù)結合在一起，預測未經測試的遺傳資源和育種種群的表現(xiàn)。

1.1.2 植物和微生物遺傳資源及其信息管理 在植物遺傳資源與信息管理方面，加強 NPGS(National Plant Germplasm System，國家植物種質資源系統(tǒng))資源收集的管理和應用，以確保高效、長期和安全地保存植物遺傳資源。開發(fā)更高效、更有效的遺傳資源再生、記錄和信息管理方法和實踐；確定和填補遺傳資源收集方面的差距，盡可能在保護區(qū)內加以保護；進行植物遺傳資源基因型特征和關鍵表型評估，并將結果數(shù)據(jù)納入信息管理系統(tǒng)，向客戶提供高質量遺傳資源和相關信息；通過伙伴關系加強植物遺傳資源、信息管理和培訓能力。

在微生物遺傳資源與信息管理方面，保護微生物遺傳資源，包括活體和保存收集庫；開發(fā)創(chuàng)新、高效、有效的工具和方法，以保護、分類和描述微生物遺傳資源；確定微生物遺傳資源的新來源，并在可能的情況下，在基因庫或收集庫中獲得和保存；開展關鍵微生物庫基因型特征和表型評估；在集成的公共數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中提供與微生物集合相關的身份信息、數(shù)字圖像和特征數(shù)據(jù)；向客戶提供高質量微生物遺傳資源和相關信息；通過伙伴關系加強微生物遺傳資源和信息管理能力。

1.1.3 作物生物學和分子生物學 在對植物生物學和分子過程基本知識的認識方面，在分子、整個基因組及系統(tǒng)層面，加強對農作物與生物及非生物環(huán)境因素的互動關系的認識。從遺傳、分子和生理水平全面了解植物微生物群如何對作物表現(xiàn)和效用產生正面和負面影響；拓展如何控制作物生長和發(fā)育的知識，增加對支撐作物特性和改良的生化途徑及代謝過程的了解，加強對農業(yè)適應和減緩氣候變化的生物理解；加深對食物(種子、水果、塊莖等)品質、營養(yǎng)價值，以及貯存和加工特性的認識；將基本遺傳和生物知識應用于作物改良的新工具。

在作物生物技術的發(fā)展、實施和評價方面，采用新的生物技術方法對作物進行改良，并評估和減輕這些改良對作物性能、農業(yè)生產系統(tǒng)和環(huán)境的潛在意外后果。包括用于生產基因組編輯和/或基因工程作物的新型公共工具；改進將基因組編輯和生物技術應用于更廣泛作物品種選擇的方法；提高傳統(tǒng)作物育種效率的基因工程技術；評估生物技術的影響。

1.1.4 作物遺傳學、基因組學和遺傳改良的信息資源和工具 為作物研究和育種提供互聯(lián)、互操作和可搜索的信息資源和工具；將優(yōu)良性狀與分子標記、特定種質資源或樣本聯(lián)系起來的信息工具；開發(fā)新的生物信息學工具，用于數(shù)據(jù)分析和挖掘，以及管理高通量基因型、表型數(shù)據(jù)和知識，包括使用人工智能/機器學習方法；利用現(xiàn)有生物信息、統(tǒng)計建模和人工智能方法，通過有針對性的管理和計算分析，增強功能基因組注釋；與用戶社區(qū)和利益相關者保持并加強戰(zhàn)略伙伴關系、培訓和外聯(lián)活動。

1.2 研發(fā)布局新動向

值得注意的是國家301計劃(2023—2027)增加了以下新內容。

1.2.1 植物-微生物群相互作用分析 更廣泛地理解植物-微生物群協(xié)同作用及其對作物健康的貢獻，將是以農業(yè)可持續(xù)的方式滿足未來產量需求的關鍵。這種理解包括植物-微生物群的相互作用和微生物群內的多物種的相互作用；在分子、生化和生理水平上表征微生物在調節(jié)寄主作物適應性中的作用；以及對影響微生物群落招募和發(fā)展的環(huán)境及宿主因素的完善知識。旨在從遺傳、分子和生理水平全面了解植物微生物群如何對作物表現(xiàn)和效用產生正面和負面影響。

1.2.2 用于作物改良和基因功能分析的基因組編輯 通過誘變、生物技術、基因組編輯和/或其他手段發(fā)現(xiàn)和/或創(chuàng)造的重要農業(yè)性狀新變異；改進基因組編輯、誘變篩選和其他基因改造技術的應用，加快建立遺傳變異性種群，以檢驗基因功能假設并加速品種改良；開發(fā)用于生產基因組編輯和/或基因工程作物的新型的公共工具；改進將基因組編輯和生物技術應用于更廣泛作物品種選擇的方法。

6 作者投稿時須從郵局匯20元稿件處理費，請勿在稿件中夾寄。稿件確認刊載后，將按標準向作者收取版面費(版面費請從郵局寄給本刊編輯部)。我刊收到版面費后，將出具正式收據(jù)，以掛號信形式寄給作者。稿件刊登后酌致稿酬，并贈當期雜志1冊。稿件及匯款請勿寄給個人。

1.2.3 用于田間和實驗室研究的人工智能/機器學習等 利用人工智能/機器學習等方法，創(chuàng)新高通量、定量化的表型分析方法，通過自動化、增加吞吐量、并行化或使用新的傳感器及平臺來提高性狀分析的效率、精確度和成本效益；開發(fā)新的生物信息學工具，用于對所測定的性狀數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，以及管理高通量基因型與表型數(shù)據(jù)和知識；通過有針對性的管理和計算分析，增強功能基因組注釋。此外，通過機器學習等方法將表型、遺傳和其他“基因水平”的數(shù)據(jù)結合在一起，分析環(huán)境和管理策略對每個性狀表現(xiàn)以及表型的影響，有效發(fā)現(xiàn)和預測控制不同作物重要性狀的基因之功能。

2 我國作物種業(yè)研發(fā)布局分析

黨中央、國務院高度重視種業(yè)振興，近年來在種業(yè)方面出臺了一系列政策文件和規(guī)劃。在農業(yè)種質資源方面，2015年2月，原農業(yè)部、國家發(fā)展和改革委員會、科技部印發(fā)《全國農作物種質資源保護與利用中長期發(fā)展規(guī)劃(2015—2030年)》[6]；2019年4月，農業(yè)農村部辦公廳印發(fā)《農業(yè)種質遺傳資源保護與利用三年行動方案》[7]；2020年2月，國務院辦公廳印發(fā)《關于加強農業(yè)種質資源保護與利用的意見》[8]；2021年3月，農業(yè)農村部印發(fā)《關于開展全國農業(yè)種質資源普查的通知》 及《全國農業(yè)種質資源普查總體方案(2021—2023年)》[9]，從以上文件的發(fā)布可以看出我國政府對種質資源多樣性保護和利用的重視程度。在種業(yè)發(fā)展方面，2021年7月，中央全面深化改革委員會審議通過了《種業(yè)振興行動方案》[10]。2021年8月，國家發(fā)展和改革委員會、農業(yè)農村部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”現(xiàn)代種業(yè)提升工程建設規(guī)劃》[11]，對“十四五”時期我國種業(yè)發(fā)展做出了全面部署安排。此外，2022年2月國務院印發(fā)的《“十四五”推進農業(yè)農村現(xiàn)代化規(guī)劃》[12]，2021年12月農業(yè)農村部印發(fā)的《“十四五”全國農業(yè)農村科技發(fā)展規(guī)劃》[13]和《“十四五”全國農業(yè)農村信息化發(fā)展規(guī)劃》[14]也對種業(yè)振興相關工作做出了部署。

從對以上規(guī)劃文本的分析中，可以看出我國作物種業(yè)主要布局在以下幾個方面。

2.1 種質資源收集保存

強化種質資源保存技術研究應用。研究試管苗、超低溫、DNA保存等種質資源保存關鍵技術，加強對特異種質資源和重要無性繁殖作物種質資源的復份保存，確保長期保存種質的活力和遺傳完整性，支撐種質資源供種分發(fā)需要[6-8，15]；研究快速、無損的活力監(jiān)測和預警技術[6-8]，加強種質資源活力與遺傳完整性監(jiān)測，及時繁殖與更新復壯，提升種質資源保存總量和質量；加強種質資源國際合作交流，以作物起源中心和多樣性中心為重點，優(yōu)先引進我國缺乏的物種、野生近緣種、遺傳分析工具材料等新種質以及核心種質[6-7]。

2.2 種質資源鑒定評價

開展種質資源多性狀、多環(huán)境下的表型與基因型精準鑒定及綜合評價，深度挖掘高產高效、優(yōu)質、耐受、適宜機械化等重要性狀突出的育種材料[6-9，15]；對特異資源開展全基因組測序與功能基因研究，發(fā)掘重要農藝性狀關鍵基因及其有利等位基因；構建全國統(tǒng)一的國家農業(yè)種質資源庫、作物表型與基因型數(shù)據(jù)庫以及分子指紋圖譜庫，強化育種創(chuàng)新基礎[8，12，14]；突破多維組學大數(shù)據(jù)分析關鍵技術，開發(fā)高通量種質資源“基因組-代謝組-表型組-環(huán)境組”耦合智能化鑒定技術[13]。

2.3 種質資源創(chuàng)制

針對農業(yè)生物品種精準設計的重大需求，開展種質資源形成和演化研究，挖掘控制高產優(yōu)質、抗旱耐鹽堿、資源節(jié)約、環(huán)境智能響應、生育期調控、品質健康以及病蟲草害抗性等復雜性狀的關鍵基因及調控元件[13]；開展優(yōu)異基因的遺傳和育種效應研究，明確其功能及調控網(wǎng)絡，揭示作物高產、高效、耐受等復雜性狀的分子機理，規(guī)?；瘎?chuàng)制遺傳穩(wěn)定、目標性狀突出、綜合性狀優(yōu)良的新種質[6-9]；研究建立創(chuàng)新種質中優(yōu)異基因快速檢測、轉移、聚合和追蹤的技術體系[7-8]；探索建立優(yōu)異種質篩選、創(chuàng)制、有效利用“無縫對接”的新機制，加大資源分發(fā)力度，促進創(chuàng)新種質、新技術的高效利用[7]。

2.4 現(xiàn)代生物育種

攻克主要農業(yè)植物高效遺傳轉化瓶頸，建立不依賴受體基因型和多基因疊加的高效遺傳轉化新技術；整合農業(yè)生物遺傳學、基因組、代謝組及表型組學等數(shù)據(jù)，研發(fā)倍性育種與快速馴化、跨界改良等新技術，實現(xiàn)品種特化性狀的精準改良[13]；加快適宜輕簡栽培和機械化作業(yè)、資源高效利用的綠色新品種選育，培育高產、高效、優(yōu)質、抗病蟲、耐受等突破性農業(yè)新品種[13]；以大型表型與基因型鑒定平臺、分子育種創(chuàng)新服務平臺等為重點，著力打造具有國際先進水平的基礎性、前沿性研究體系和以企業(yè)為主體的商業(yè)化育種體系[11]。

2.5 作物種質資源信息化管理

建立互聯(lián)互通的國家作物種質庫圃信息網(wǎng)絡，研發(fā)信息化管理和監(jiān)測預警系統(tǒng)，構建包含各類作物種質資源基本信息、特性信息和分子信息的數(shù)據(jù)庫，提高種質資源管理利用信息化水平[6-7]。建設種質資源共享平臺，實現(xiàn)種質資源依法向社會開放[6-7]。

2.6 種業(yè)基礎和應用基礎研究

支持開展育種理論、遺傳機理及方法工具研究[11]。開展種質資源形成和演化研究，探索農業(yè)生物種質資源多樣性和定向進化等規(guī)律；開展重要農藝性狀形成規(guī)律研究，探索農業(yè)生物高產優(yōu)質、綠色高效等復雜性狀形成的規(guī)律；開展基因編輯技術原始創(chuàng)新，研發(fā)新型基因編輯工具；研究不依賴于受體基因型的遺傳轉化技術，構建適合重大品種的通用型轉化體系；突破合成生物技術，構建高效細胞工廠和人工合成生物體系；研究新型全基因組選擇模型，建立適合不同作物物種的全基因組選擇平臺[13，16]。

2.7 智慧種業(yè)技術研究

加快種質資源保護利用、育種創(chuàng)新攻關等領域數(shù)字化應用[14]。開發(fā)海量數(shù)據(jù)的建模和分析工具，開展基于農業(yè)大數(shù)據(jù)的植物數(shù)字化模擬與過程建模分析、數(shù)據(jù)智能分析和知識模型設計研究[13]；開展人工智能在作物育種領域的基礎算法研究，突破生物大數(shù)據(jù)挖掘和分析的核心算法，研究植物表型高通量獲取與智能解析技術[13]；構建數(shù)字化育種平臺，探索“表型+基因型”的智能化育種技術體系，推動作物育種向“精確育種”轉變；推進數(shù)字化動態(tài)監(jiān)測和信息化監(jiān)管[14]。

3 中美作物種業(yè)研發(fā)布局對比分析

3.1 對比分析

對美國國家301計劃和中國種業(yè)相關規(guī)劃從遺傳資源收集保存及信息管理、優(yōu)良性狀發(fā)現(xiàn)、分析及工具方法、優(yōu)良品種培育、現(xiàn)代數(shù)據(jù)育種技術、基礎研究五個方面進行對比了分析，具體內容見表1。

3.2 結論

3.2.1 中美兩國的種業(yè)規(guī)劃各有特點 總體來看，中國的種業(yè)規(guī)劃較為宏大，從種業(yè)基礎設施條件建設、種質資源普查和保護利用，到種業(yè)關鍵技術攻關都做了全面的戰(zhàn)略部署，但對研發(fā)布局的描述比較籠統(tǒng)，缺少具體的技術研發(fā)部署。美國的“植物遺傳資源、基因組學和遺傳改良行動計劃”(國家301計劃)具有延續(xù)性，已是第3個五年規(guī)劃，而且是具體針對美國植物育種研發(fā)的一個指導性規(guī)劃，對研究問題、研究重點、預期產品和潛在利益都有詳細描述，因此目標更明確，更具可操作性。

3.2.2 中美兩國的研發(fā)布局高度吻合 高通量基因分型和表型分型技術、基因編輯技術和人工智能、機器學習等信息技術在育種領域應用等熱點前沿方向，都是中美兩國的研發(fā)重點，對生物技術育種和信息化育種制高點的爭奪將會更加激烈。中美均將植物種質資源作為戰(zhàn)略性資源，非常重視植物遺傳資源的收集和保存，并提出加強植物遺傳資源基本信息、基因型特征、關鍵表型等數(shù)據(jù)的管理與共享利用。

3.2.3 中美兩國的品種選育方向有異有同 優(yōu)質、高產、高效、多抗、耐受、資源高效利用是中美兩國共同追求的優(yōu)良性狀。但美國注重培育作為生產生物能源原料的非糧食作物以及適合隧道系統(tǒng)、有機系統(tǒng)、小農場、家庭花園和城市景觀等新生產系統(tǒng)和新用途需要的具有新特性的作物。中國注重培育適于輕簡栽培和全程機械化生產的新品種。中美兩國品種選育方向的不同，究其原因在于兩國的發(fā)展階段和需求不同。2020年，中國農作物機播率和機收率分別僅為58.98%、64.56%，缺乏適宜全程機械化生產的品種是重要原因之一[17]。美國農業(yè)集中程度高，早在20世紀40年代已基本實現(xiàn)農業(yè)機械化[18]，適宜機械化生產的品種選育已不是美國重點方向。

表1 中美作物種業(yè)研發(fā)布局對比分析

3.2.4 中美兩國在基礎研究方面存在明顯差異 美國非常重視從遺傳、分子和生理水平研究植物微生物群是如何對作物表現(xiàn)和效用產生正面和負面影響的，植物-微生物群協(xié)同作用及其對作物健康的貢獻是最新一期規(guī)劃增加的新內容，這項研究被認為將是以農業(yè)可持續(xù)的方式滿足未來產量需求的關鍵。同時，美國也非常重視微生物遺傳資源的收集保存和鑒定評估。這方面是中國研發(fā)布局的空白點，應引起足夠重視。

4 對策建議

4.1 制定連續(xù)、有針對性的植物育種專項研發(fā)計劃

美國的“植物遺傳資源、基因組學和遺傳改良行動計劃”(國家301計劃)是針對植物育種領域制定的目標明確、具有實用性和可操作性的專項研究計劃，通過持續(xù)的規(guī)劃和項目支持，一步一個臺階地研究解決現(xiàn)階段存在的問題，布局未來研發(fā)方向，推動美國在植物育種領域保持領先地位。我國應借鑒美國的研發(fā)計劃，從植物育種領域現(xiàn)階段的需求、亟需解決的問題、未來育種研發(fā)趨勢等出發(fā)，制定出臺我國植物育種領域持續(xù)的、更具針對性和可操作性的專項研發(fā)計劃，并給予相應的項目支持，分階段遞進式統(tǒng)籌布局我國植物育種領域研發(fā)目標和計劃，以提升種業(yè)核心競爭力，助力打好種業(yè)翻身仗。

4.2 加強生物育種和信息技術育種關鍵核心技術的研發(fā)布局

世界種業(yè)競爭的實質是科技競爭。育種4.0時代，生物技術育種和信息技術育種已成為各國搶占科技制高點和增強農業(yè)國際競爭力的戰(zhàn)略重點[19-20]。美國在基因組編輯、信息技術在育種的應用等方面做了相關部署。我國應學習借鑒美國做法，從國家規(guī)劃層面加強在生物技術育種、信息技術育種等育種關鍵核心技術方向以及生物技術和信息技術融合應用方向的戰(zhàn)略布局，設立育種關鍵技術研究專項，加大財政資金的傾斜力度，強化原始創(chuàng)新，力爭掌握種業(yè)發(fā)展主動權。此外，應強化企業(yè)創(chuàng)新主體地位，引導具有研發(fā)實力的企業(yè)與科研機構、高校組成創(chuàng)新聯(lián)合體，針對生物育種和信息化育種關鍵核心技術開展聯(lián)合攻關，培育提升種企研發(fā)水平，促進成果加速應用。

4.3 重視微生物種質資源保護利用和微生物-植物-環(huán)境互作基礎研究

微生物資源是重要的戰(zhàn)略生物資源。我國是世界上微生物資源最為豐富的國家之一，但存在資源底數(shù)不清、菌種深度鑒評滯后、核心菌種自主率不足等問題[21]，我國應高度重視微生物種質資源，開展農業(yè)微生物資源普查，摸清微生物資源家底，建立系統(tǒng)、有效的微生物種質資源監(jiān)測與保護體系；系統(tǒng)開展微生物種質資源精準鑒定和評價，加強關鍵微生物基因型特征和表型評估；加快微生物種質資源創(chuàng)新利用與開發(fā)，挖掘創(chuàng)制本土高性能菌種，提高核心菌種自主率。此外，在農業(yè)生產系統(tǒng)中，微生物與土壤、作物、動物共同形成農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中最基本的物質循環(huán)，在物質轉化和能量循環(huán)過程中發(fā)揮著不可或缺的重要作用[22]。美國非常重視微生物資源，在該研究方向做了相應的研發(fā)部署。鑒于微生物資源的重要作用，我國應學習借鑒美國做法，在微生物-植物-環(huán)境相互作用機理、微生物功能活性機制、微生物資源精準鑒定技術等方面加強研究布局，以加深對農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中微生物功能的認知，從而推動實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和作物產量提高。