近日，崖州灣國家實驗室和華中農業大學聯合中國農業大學、中國科學院分子植物科學卓越創新中心、河南農業大學、四川農業大學、美國冷泉港以及德國馬普所等國內外多家頂尖科研機構，在Molecular Plant期刊發表了題為“Maize2035: A decadal vision for intelligent maize breeding”的前瞻性綜述論文，為未來十年的玉米育種描繪了一幅激動人心的藍圖。

　　該文主要對玉米智能育種提出了兩大協同發展方向： 一是圍繞少數基因對關鍵性狀和特定環境響應的深入機制性研究，基于這些生物學理解進行的智能分子設計;二是幾乎不考慮機制性理解，利用規范性大規模數據收集和分析培育精準預測和智能決斷系統，提高育種的精準性同時大大提高周期，實現遺傳增益的高效率提升。二者充分結合、協同對應不同復雜度的性狀，共同開啟育種智能化、數字化、精準化的新時代!

　　玉米育種的輝煌歷程：技術和理念不斷進步的軌跡

　　玉米，作為全球最重要的糧食作物之一，其產量提升對保障糧食安全至關重要。同時，玉米育種也具有輝煌的歷史，每一次重大理念和技術的革命，都帶來單產的階梯式提升。過去百年，中美兩國作為玉米生產的領頭羊，單產已提升超越5倍，這得益于育種理念的不斷革新。從早期農民的經驗選擇到公司主導的表型選擇，從分子標記輔助育種到如今的全基因組選擇，玉米育種經歷了四個重要的發展階段。然而，我國玉米總產在過去8年僅增加約5%，增產面臨嚴重瓶頸，導致近幾年玉米進口量長居2500萬噸以上，“卡脖子”問題依舊突出。同時，面對未來人口、耕地和環境等多重挑戰，玉米研究者和育種家們亟需新的突破?；诮陙矶喾N生物技術和計算機等領域的革命性科技變革，該綜述前瞻性地提出了面向未來的“智能育種”理念，強調響應環境、提升育種精準性和追求效率的重要性，并制定了具體的實施路徑。

　　未來的挑戰與機遇 ：多樣化需求與五大共性方向

　　育種目標的選擇應以需求為導向，該文首先分析了玉米在不同國家和地區的主要用途差異，將全球主要劃分為三種類型：以美國為代表的一些國家將顯著量的玉米用作工業碳源(如生物酒精等用途)、以我國為典型的絕大多數區域將玉米用作主要的飼料來源、以及非洲大部分國家依然將玉米用作重要的(直接或加工后的)食用來源(本文圖1)。需求引領方向，但不同用途、不同國情、甚至不同局部區域等差異勢必帶來玉米多樣性的育種目標，在此基礎上，本文概括了需要重點關注的五大共性目標性狀(High-Five)：高產、高抗、高適應性、高營養(面向人類和畜牧)、高附加值。“五高”的協同實現有賴于植株綜合表型的整體優化以及能量和代謝層面的平衡，包括氮利用效率、光合作用和收獲指數、碳-氮代謝平衡等方面的協同改良。

　　圖1. 玉米多樣化用途的全球概覽。

　　智能育種：理性分子設計與基因組精準預測

　　面對多層面的育種改良目標，亟需“智能化”來系統性實現多育種目標的快速、協同改良(圖1)，生物技術與數據科學的有機結合將極大促成這一理念的實現。此部分內容作為本綜述的最大著墨點，概括起來包括兩精準——圍繞重要性狀背后少數關鍵基因和網絡的精準分子設計、以及圍繞復雜綜合性狀的精準基因組預測(本文圖2)。具體研究方向包括下述幾方面：

　　(1)更深入地揭示變異背后的生物學基礎： 包括從優良等位基因到分子網絡的轉變、利用泛基因組捕獲更廣泛的遺傳多樣性和功能變異、在更深層次(如單細胞水平)來揭示遺傳效應等;

　　(2)基于豐富的生物學理解來指導理性分子設計： 包括對調控元件的精準控制、基因組/蛋白/代謝物等的從頭設計、對環境響應元件的精準操控等;

　　(3)新型機器/算法/平臺的開發促進實現數字化育種： 包括大規模自動化的地空協同田間表型收據采集、種質資源庫與低成本高效的基因型鑒定、智慧預測模型及通量化大田驗證、反饋、再訓練等;

　　(4)全基因組學(hologenomics)作為新質生產力代表： 上述研究主要針對玉米為對象，全基因組學近年來逐漸興起，其是將包括動植物以及與之生存的所有微生物作為一個統一整體進行研究的范式。已有前沿性研究表明宿主微生物對植物的生長發育等過程產生重要影響，以生物農藥、生物飼料、生物肥料等為代表的農業微生物產業是新質生產力的發展方向之一，也需要作為后續研究的重點。

　　圖2. 智能分子設計(A+B)與智能基因組預測(C)，二者(構成細胞融合的形狀)相結合可實現玉米整體育種目標的精準、快速、協同改良。

　　協同創新共筑可持續、具人文關懷的農業

　　正如文章開篇受劉慈欣(高級工程師、科幻作家)《流浪地球》啟發而改編的一段話，警示我們氣候變化對人類生存的威脅，在各種自然災害面前，農業是我們唯一與自然討價還價的籌碼，是人類文明生存的基石。實現玉米育種的十年愿景，需要全球科學家、育種家、農民和政策制定者的共同努力。

　　文章最后在結語中提出了四點愿景：(1)范式轉變與深入聚焦，面對新形勢下的嚴峻挑戰，我們需要革新自己的思想，轉變為系統性思維，相信大數據、系統生物學和智慧育種的潛力;(2)大數據驅動的農業管理，以無人機、人工智能為代表的新型農業管理體系將極大促進農業生產效率的提高;(3)國際/國內多方面的合作，呼吁國際和國內、企業與科研院所在種質資源、開放性共享平臺等方面建立廣泛的合作;(4)社會影響與經濟效益的考量，生產者的動力和消費者的需求對玉米未來發展方向至關重要，未來育種需要消費者和生產者的共同參與。

　　崖州灣國家實驗室玉米基因組育種團隊主任科學家劉海軍、青年科學家劉杰為本文共同第一作者，華中農業大學嚴建兵教授為本文通訊作者。崖州灣國家實驗室玉米基因組育種團隊首席科學家王海洋教授、高級科學家張祖新教授、博士后翟志文，華中農業大學代明球教授，中國農業大學徐明良教授、秦峰教授、楊小紅教授、田豐教授，中國科學院分子植物科學卓越創新中心/中國科學院上海植物生理生態研究所巫永睿研究員，河南農業大學湯繼華教授，四川農業大學盧艷麗教授，美國冷泉港David Jackson教授，德國馬普所Alisdair R. Fernie教授，均參與了本文框架的討論、寫作和修改。同時感謝華中農大鄭蕾同學在制圖過程中的鼎力支持、崖州灣國家實驗室賈安強博士在數據統計中的無私貢獻。在崖州灣國家實驗室大力支持之外，該工作還得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、湖北省科技廳重大項目及111計劃等基金的資助。