為了加快作物的育種進程，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境進行異地加代，或人為創造作物快速發育所需要的光溫環境，或輔以幼胚離體培養、單倍體誘導等生物技術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（目標環境，target environment）和異地（非目標環境，non-target environment）進行來回穿梭育種?？梢赃M行異地加代的反季節育種（off-season breeding）的地點因植物而不同，但必須滿足特定作物完成生長發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，大多數栽培植物都需要向溫暖的異地尋找適宜的反季節育種基地。早在1945年，諾貝爾和平獎獲得者Norman Borlaug博士就開始了小麥的穿梭育種，利用墨西哥Toluca和Obregon 2個具有不同維度和海拔高度、相距約2 000 km的地點，實現一年繁殖2代，在短時間內育出多個高產抗銹病的矮化小麥品種[3-4]。在中國，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]。利用氣候差異開展的異地繁殖加代技術已廣泛用于加速育種進程。位于北半球的美國、荷蘭等國家在智利、菲律賓、墨西哥等地建立了跨國的異地繁殖和育種試驗站[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、秘魯以及泰國等地進行異地加代；而歐洲大部分地區的育種，異地加代一般在智利、巴西、危地馬拉、摩洛哥和泰國進行。在北美洲和南美洲之間進行的玉米、小麥、大豆等作物的穿梭育種，大大加速了育種進程。

中國地緣遼闊、各地氣候多樣、栽培作物種類繁多，適合異地加代、擴繁和純度鑒定的時間和地點差別比較大。對于不同的作物，異地加代可以分別被稱為夏繁、秋繁、冬繁。如長江流域的冬播油菜，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，隨后再轉戰海南去冬繁，這樣可以利用自然環境完成一年3次繁育和測試。大多數異地加代的作物，包括水稻、玉米、棉花、大豆、一部分蔬菜和瓜類作物，一般都是在大陸目標環境完成一代的試驗之后到南方（主要是海南）進行冬繁，這種最常見的異地加代、擴繁和純度鑒定被簡稱為南繁（off-season breeding, non-target environment breeding,or winter-nursery breeding）。

長期以來，因為異地環境條件明顯不同于本地，南繁的主要目的是加速世代進程、擴繁和純度鑒定，而無法有效地進行重要農藝性狀的選擇。盡管海南的條件可以滿足很多作物額外2代的繁殖，但大多數情況下，一年只能加繁1代。因此，南繁育種普遍存在的共性問題之一就是重繁殖輕選擇或不選擇、異地只能加代一次，因為連續加繁2代有可能丟失很多重要的目標性狀。其結果是海南的優良南繁條件沒有得到有效地利用。隨著轉基因、基因編輯、分子標記輔助選擇、分子設計育種以及各種快速育種技術的發展，分子植物育種將助推南繁種業轉型升級，從常規的加代繁殖轉變成加代和選育相結合，讓異地選擇實質上等同于本地選擇。為推動海南自貿區的建設和南繁種業的發展，2019年12月9日—12日在三亞舉辦了“崖州論壇：南繁與現代育種國際論壇”，徐云碧應邀作了“分子植物育種助推南繁種業轉型升級”的專題報告[7]。本文就是在該報告的基礎上，結合其他作者的建議和討論形成的。文章將討論南繁種業現狀與海南地理生態優勢，南繁種業轉型升級的必要性和可能性，與轉型升級有關的育種理論、育種平臺和分子檢測技術，實現轉型升級所需的整合育種體系。希望借此推進有關南繁種業轉型升級的公眾討論和政府決策，從而推進種業的科技進步和現代化。

1 海南地理生態優勢與南繁種業現狀

中國的“南繁”始于1956年。從 1956年到 20世紀60年代，遼寧、湖南、山東、河南、四川等省專家及技術人員開始了南繁的探索和實踐。起初南繁是在廣州、南寧、湛江、?？诘瘸鞘兄苓?。隨著交通運輸的發展，南繁向更適宜農作物種植的區域轉移。經過半個多世紀的探索與實踐，南繁基地穩定在海南省三亞市及其兩廂陵水和樂東兩縣，輔之以云南省西雙版納、元謀和廣西壯族自治區北海市等地。海南省墾區作為重要的熱帶農業生產地區，擁有無可比擬的優勢，是國家稀缺的、不可替代的戰略資源。特別是正在籌建的國家南繁科技城所在地三亞市，是南繁育種的最大核心區。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期，雨季旱季明顯，陽光充足，熱量豐富，光能利用率高，被譽為“天然大溫室”（圖1），適合農作物周年種植和生產。

圖1 南繁育種核心區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

海南南繁為國家種業發展和農業生產作出了巨大貢獻。60多年來，全國育成的農作物新品種中，70%以上的品種都經過南繁。近幾年，全國近 30個省份800多家科研院所、高等院校及科技型企業約 6 000多名農業科技專家、學者來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現的。1970年11月23日，袁隆平助手李必湖和南紅農場職工馮克珊在崖縣（現三亞市）南紅農場的水溝邊發現一株野生稻花粉敗育型雄性不育株，這一“野敗”植株的發現成為三系法雜交水稻研究的重要突破口[9]。近10年，主要農作物國家審定的品種有1 345個出自南繁，占總數的86%；省級審定的12 599個品種，育自南繁的占91%[10]。南繁作物種類目前已經擴展到水稻、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代變為2—3代，種子擴繁加速了水稻新品種和新組合的應用和推廣，純度鑒定為全國推廣品種（雜交種）提供了安全保障。海南也成為中國農作物育種應用研究與基礎研究的重要基地。

南繁基地目前主要用于繁殖加代（包括種子擴繁）、純度鑒定而不是全方位育種。海南省的地理生態優勢沒有得到充分和有效利用。主要原因在于：（1）異地無法進行精確的表型選擇：導致只能在異地進行不加選擇的繁殖1代，而非連續多代繁殖和育種。（2）土地面積小或一致性差、試驗成本太高，以致無法進行大規?；蛑苣暝囼?，許多育種單位因為南繁成本太高正在減小南繁規?；蚋纱喾艞壞戏?。（3）試驗規模有限：土地和勞動力資源無法滿足大規模常規育種的需求，許多南繁育種者不得已從北方雇用大量勞動人員到海南基地。（4）季節矛盾：異地與本地目標地域的生長季節沖突導致只能在海南種植一季。（5）政策定位：長期以來海南省僅僅作為繁育基地，許多單位沒有穩定的基地，基礎建設投入不足，種植生長條件較差?，F代分子生物學和育種技術的發展正在為充分利用海南省氣候資源，實現南繁種業的轉型升級創造條件。

2 南繁種業的轉型升級及其所需條件

實現南繁種業轉型升級，就是要改變歷史上單一的繁殖加代、純度鑒定模式，實現向資源引進和評價、育種選擇、品種（雜種）鑒定和品種權保護等在內的全產業鏈模式的轉型升級，實現從海南加代向海南育種、全國測試的方向轉變，實現從冬繁到全年育種的轉變，實現從一年1代到一年多代的轉變，將南繁基地轉變為育種基地，將海南的冬天轉變為育種家的春天。實現南繁種業的轉型升級需要異地選擇觀念的轉變、國家相關政策的支持、分子育種平臺的支撐、生物安全防控、品種保護制度的建立和完善、資源共享和交流機制的形成（表1）。

表1 南繁種業轉型升級所需條件
Table 1 Requirements for transformation and upgrading of Hainan off-season breeding

要完成南繁種業的轉型升級首先需要轉變觀念，從傳統的南繁加代轉變為借助于分子育種技術和手段在海南進行異地評價、選擇和育種。為此，需要國家在土地租用、人工使用、基地建設、種質資源引進等方面采用新的支持和優惠政策，以期降低試驗成本、提高試驗質量、簡化管理、提高效率。同時要建立立足海南進行現代育種所需的各種平臺和生態生活環境，以提供分子檢測、表型鑒定、快速育種、轉基因和基因編輯等現代生物技術服務。為引進跨國種業在海南扎根安家，需要在海南率先實施與國際接軌的植物品種保護制度，讓國外先進的技術和種質資源能夠走進來、站得住、用得好。最后要拓展動植物育種的國際國內合作空間，在實施品種保護制度的前提下，推進國內外以及海南各育種單位種質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 南繁種業轉型升級之育種理論

3.1 數量和群體遺傳

南繁育種中需要選擇的許多性狀為數量性狀。數量性狀的遺傳受微效多基因控制，其表現受外界環境的極大干擾。首先，經典和現代數量遺傳學為復雜性狀的遺傳評價提供了重要的方法，包括性狀遺傳變異的剖分、復雜性狀之間的相關分析、遺傳率和選擇響應的估算、綜合選擇指數的構建、長期和輪回選擇結果的預測、基因型和環境互作的評價和檢測。

其次，基于分子標記選擇的數量遺傳學理論，即分子數量遺傳學，為復雜數量性狀的異地選擇提供了可能性[11-13]。利用分子標記，采用雙親或多親產生的分離群體進行連鎖分析、自然群體或多雜種群體的連鎖非平衡（關聯）分析，可以定位影響復雜數量性狀的多個QTL，確定其效應的大小、QTL與環境的互作、不同性狀QTL之間的互作[14-16]。利用不同實驗室、不同地點所獲得的標記-性狀關聯信息，可以開發與目標性狀相關的功能或關聯標記，構建選擇模型，開展多種形式、不依賴于環境的分子標記輔助選擇，包括回交育種、基因累加、輪回選擇和全基因組選擇，從而對目標性狀實現有效地異地評價和選擇。

其三，根據群體遺傳學的理論，可以確定群體中重要性狀QTL的有利等位基因、單倍型及其相應的頻率和效應。通過全基因組選擇（genomic selection，GS）等群體改良技術在育種群體中進行優良等位基因的累加。GS就是利用覆蓋全基因組的高密度標記進行選擇育種，通過早期或異地選擇縮短育種周期，提高基因組估計育種值（genomic estimated breeding value，GEBV）的準確性，從而獲得更大的遺傳增益。通過覆蓋全基因組的分子標記估算不同染色體片段或單個標記效應值，然后將個體各個片段或標記效應值累加，獲得GEBV，其理論假設是在分布于全基因組的高密度SNP標記中，至少有一個SNP能夠與影響目標性狀的數量遺傳位點處于連鎖不平衡狀態，因此群體中每個QTL的效應都可以通過特定的SNP聯系起來，從而更好地解釋表型變異。預期GS將在異地選擇育種中縮短育種周期，實現待選群體的早代選擇，提高GEBV估計準確性；同時降低育種成本，減少表型鑒定的數量。對于雜種優勢利用作物，還能根據親本預測雜交后代，選擇最佳雜種優勢組合。

3.2 基因型與環境互作

以測序技術為基礎的基因型檢測技術和表型組學為現代育種提供了基因型和表現型2個維度的支撐信息。由于植物的表現型是基因型和環境共同作用的，精準地評價植物生長發育有關的外界和內部環境，可以進行更加準確的表現評價和選擇。環境型鑒定就是要定量地確定各種環境因子（氣候、土壤、植物冠層、伴生生物、作物管理等）的變異[17]。因此，在未來的育種實踐中，環境因子及其對植物生長發育、表現型變異等的影響不再是一個無法測度的黑箱。環境型鑒定和評價將有助于深入了解和分析基因型與環境互作及其復雜性，確定基因型與環境互作、環境反應相關的基因，從而更好地將基因型與環境互作信息應用于改進選擇效率，提升遺傳增益[16-17]。在不同的生態地區間有計劃地進行育種材料的交流、種植和選擇的穿梭育種，可以把南繁基地作為其中一個生態區，評價和度量育種材料的遺傳與環境互作。這種穿梭育種可以培育出具有廣泛適應性與特殊適應性的2種不同類型的品種。結合不依賴于環境的標記輔助選擇技術，可以對重要的農藝性狀進行有效的異地評價和選擇。分子標記輔助選擇將徹底改變南繁育種方式，使傳統的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。

植物生長發育經歷從營養生長到生殖生長的轉換過程。該過程受外界環境條件和植物內部生理和遺傳等因素的控制，是基因型與環境相互作用的結果。外界環境條件主要是溫度和光照，次要的包括水分和養分等的協同作用。植物內部因素包括影響生長發育的各種化學成分、營養元素、基因及其代謝途徑。通過調控植物外界和體內影響生長發育的各個環境和遺傳相關因素，可以加快植物的生長發育進程。近年來倡導的快速育種（speed breeding）理論，就是基于對各種生長發育影響因子，特別是光照和溫度的調節和控制，大大加快植物的生長發育速度，從而讓植物在較短的時間內完成整個生長發育周期[18]。此外，通過組織培養、胚拯救，結合雙單倍體（doubled haploid，DH）育種技術，亦可大大加速世代進程和遺傳純合穩定。

在現代育種技術中，轉基因、基因編輯和合成生物學等對外界環境的依賴性較弱，不需要或較少考慮基因型和環境的互作問題，特別適合于整合到南繁育種程序之中。轉基因技術是將人工分離和修飾過的外源基因導入到生物體基因組中，由于導入基因的表達，引起生物體性狀的可遺傳修飾。其技術涉及外源基因的克隆、表達載體、受體細胞以及轉基因途徑等[19-20]。對目標基因進行刪除、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生物學的遺傳工程和工程方法的人工生物系統研究，合成生物學實現從基因片段、DNA分子、基因調控網絡與信號傳導路徑到細胞的人工設計與合成，實現基因元器件的人工改造與基因回路的人工合成[23-25]。為將合成生物學技術應用于育種，需要整合單一基因與復雜性狀的元件和模塊，通過人工基因線路的定制化實現高產優質、營養健康、資源節約、環境友好作物的大規模生產及應用。轉基因、基因編輯和合成生物學均可整合應用于植物的遺傳改良并在海南等異地實施。

3.3 分子設計和大數據

隨著組學和生物信息技術的發展，以生物信息學為平臺，以基因組學、表觀組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學等產生的生物信息大數據為基礎，綜合植物育種流程中的遺傳、生理、生化、農藝、生物統計等所有學科的技術和信息，根據育種目標和環境，設計最佳方案。最初的設計育種概念，就是通過綜合各種知識和計算機模擬，最終讓育種家可以將所有位點最有利的等位基因以可控的方式結合起來進行超級品種的設計[26]。分子設計育種就是在解析作物重要農藝性狀形成的分子機理的基礎上，通過理論設計和選擇，對多基因復雜性狀進行定向改良，獲得綜合性狀優異的新品種[27-29]。理論上，分子設計育種涉及微觀水平上的基因設計、代謝途徑設計和網絡設計；在宏觀層面上，分子設計育種則可以在個體、群體和物種水平上進行[30]（表 2）。近年的研究提供了與代謝途徑設計相關的報道。一是利用合成生物學人工設計光呼吸通路：通過轉入植物蘋果酸合成酶和綠藻乙醇酸脫氫酶到葉綠體，將乙醇酸直接轉化為蘋果酸進入卡爾文循環。同時，利用 RNA干擾抑制葉綠體上的乙醇酸/甘油酸轉運蛋白PLGG1以防止乙醇酸離開葉綠體，使轉基因煙草植物的生長量比野生型煙草提高40%[31]。類似研究還包括利用多基因組裝和轉化系統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，通過研究賴氨酸基序（LysM）受體如何特意識別特意配體，揭示可能通過合成生物學改造非豆科植物進行固氮，為在非豆科植物中進行受體改造從而使其能識別根瘤菌提供了重要的理論指導[34]。這類分子設計育種可以很大程度在南繁等非目標環境下進行。結合基因組預測，可以在異地條件下，對所設計的育種方案、育種群體進行各種評估和預測，從而改進異地選擇所能獲得的遺傳增益。

表2 微觀和宏觀水平的分子設計育種（根據文獻[30]修改）
Table 2 Breeding by molecular design at micro- and macro-scales (revised from [30])

為踐行分子設計育種，中國科學院實施“分子模塊設計育種創新體系”戰略性先導科技專項[35]。該專項以水稻為主，利用多種種質資源，綜合運用基因組學、系統生物學、合成生物學等手段，解析重要農藝（經濟）性狀的分子模塊，揭示復雜性狀全基因組編碼規律，發展多模塊非線性耦合理論和“全基因組導航”分子模塊設計育種技術，以期優化多模塊組裝的品種設計的最佳策略。利用水稻數量性狀核苷酸（quantitative trait nucleotide，QTN）圖譜和遺傳圖，中國科學家系統分析了水稻基因組中存在的遺傳累贅，并針對雜交-回交-自交、群體樣本量、導入位點數等各類情形進行大數據仿真模擬，獲得了育種設計路線的優化參數，最終開發出能夠指導水稻育種設計的導航軟件包RiceNavi[36]。該導航軟件包配備了三大功能：提供用戶待改良品種的全部 QTN基因型，并展示實體庫中具有互補等位的種質材料；根據用戶需要導入的基因位點（1—4個）給出最優育種路線；育種過程每代根據中間群體的基因型挑出最有潛力的若干后代材料。RiceNavi已被用于優良秈稻品種“黃華占”的遺傳改良，使其能夠更好地適應密植和縮短生長期。采用RiceNavi系統，不僅改進育種進度和精確度，而且可全部或部分實現QTN的大多數預測效果。

在育種實踐上，分子模塊設計作為分子設計育種的一種形式，已用于水稻品種的改良[35]。值得重視的一個關鍵問題是分子設計育種應該站在“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品種（base variety），在此基礎上進行基因及其組合的優化和性狀的進一步改良。一個典型的實例是以水稻品種空育131為底盤品種，通過基于分子標記輔助的回交選擇和分子模塊育種，結合北育和南繁，獲得了一系列改良版，包括導入了抗倒和穗粒數分子模塊的金黃稻1號、穗大和晚熟分子模塊的金黃稻2號、粒長和晚熟分子模塊的金黃稻3號、香米基因分子模塊的金黃香1號和金黃香2號、低直鏈淀粉分子模塊的金黃戀1號[37]。

4 南繁種業轉型升級之育種平臺

4.1 高通量精準表現型鑒定

隨著表型組學技術的發展，在南繁環境下實施精準表型鑒定成為可能。鑒于一般育種單位在南繁基地的試驗規模較小、育種活動復雜而各具特色，有必要建立和協調全國性的南繁表型鑒定平臺和設施（包括無人機、遙感、智能化裝備等），實現表型鑒定平臺的共享共用、表型信息的互通、整合和綜合開發利用。通過環境型鑒定采集的環境信息，根據基因型X環境互作效應，建立目標環境和異地環境之間的相互關聯模式，對異地環境下所獲得的精準表型進行校正，從而預測在目標環境下的可能表型。

4.2 環境型鑒定

廣泛采集影響植物生長發育和性狀表達的各種外界和內部環境因素，進行育種環境的特征化分析和分類，是開展精準化、標準化、流程化評價和選擇的關鍵。要像重視基因型鑒定、精準表型鑒定一樣重視環境型鑒定。要對設施環境、可控的人工環境和大田自然環境進行精準的環境因子采集[17]。通過環境特征化分析建立不同環境的可比性環境評價參數，為不同環境下的育種評價和選擇提供統一標準。在保持南繁基地和試驗環境相對穩定的前提下，要開展環境信息的長期標準化采集、保存、分析和利用，通過積累歷史數據為未來育種提供信息支撐。

4.3 信息處理和網絡技術

遠程信息處理和互聯網技術的發展為常規和異地環境下育種信息交流提供了便利。適合于異地監控、遙控遙感、遠程信息采集、信息實時傳輸、可視化技術的進步使異地評價和選擇等育種活動與目標環境保持同步和高效。

4.4 決策支撐系統

建立互聯網和云平臺支持下的各種決策支撐系統，使異地的評價和選擇得到類似于目標環境的支撐服務。相關的決策支撐系統包括遺傳材料評價、QTL作圖軟件、遺傳分析工具、育種模擬、分子和功能標記開發、多元信息處理、全基因組選擇和基因組預測等（圖2）。

圖2 南繁種業轉型升級所需之分子育種平臺（根據文獻[38]修改）
Fig. 2 Molecular plant breeding platforms required for transformation and upgrading of Hainan off-season breeding industry(Revised from [38])

現代育種技術平臺將在南繁種業轉型升級中發揮關鍵作用（圖2）。平臺將推動以下領域的進展：異地選擇（完成主要目標性狀的異地評價、鑒定和選擇）、分子檢測（轉基因性狀的轉移、基因編輯檢測）、增規減耗（通過早期和播前選擇增加規模、提高土地利用率、降低成本）、品種權利保護（品種真實性、實質性派生品種、品系和雜交種純度檢測）、DH育種（單倍體篩選、早期淘汰和選擇）、快速育種（通過控制環境條件加速植物生長發育、分子標記輔助的快速篩選和鑒定）、全基因組選擇和預測以及開源育種（種質資源和信息資源的共享、交流和利用）。

5 南繁種業轉型升級之分子檢測技術

分子檢測技術以及標記輔助的選擇使評價和選擇不再依賴于特定的環境條件。首先，借助分子標記，可以在任何環境下對各種需要特定環境才能表達的性狀進行選擇，比如需要逆境才能表現的非生物脅迫抗性，需要發病條件才能表現的各種病蟲害抗性，需要特定光溫條件才能表現的各種光溫敏感性（光、溫敏不育性）和光溫反應特性，需要施用除草劑才能鑒別的除草劑抗性等等。許多品質性狀（例如化學成分和物理特性等）的鑒定，往往需要大量的樣品和耗費大量的時間或成本，才能在實驗室分析完成，而對大量樣品的分析，必須等到選擇材料能夠產生足夠樣品的后期世代才能進行。利用分子標記，可以對這類需要大量樣品、通過精細實驗室檢測才能確定的性狀進行微量和非常規的分析。理論上，在條件滿足時，上述所有的評價和選擇可以利用從植物組織提取的少量DNA通過分子標記分析一步完成全部檢測[39]。

20世紀80年代到21世紀20年代，分子標記檢測技術發生了革命性的變化，經歷了從凝膠電泳到熒光檢測、固相芯片和液相芯片的4G發展過程；而測序技術作為最根本的檢測方式貫穿始終，有可能最終取代所有的其他檢測技術[40-41]。檢測系統本身經歷了從凝膠電泳到芯片和測序的提升，檢測的通量從單個標記發展到成千上萬個標記的同步檢測，檢測分辨率從10—30 cM一個標記提高到一個基因內包含多個標記或單倍型，檢測成本從過去的一個數據點幾美元降低了萬分之一美元或更低。

基于分子檢測的基因型鑒定是分子育種的核心技術，也是現代種業必不可少的育種工具。目前廣泛應用于育種的基因型檢測方法主要包括以Affymetrix和Illumina為代表的固相基因芯片技術[42-43]、以LGC和Douglas為代表的微流控技術[44-45]以及熒光單標記檢測技術。這些主導技術均為國外知識產權，定價權完全掌握在國外公司手中，國內服務商采購后加上檢測服務費用，導致高密度固相芯片等的檢測成本遠遠超出中國育種機構或公司所能夠承受的上限。例如，基于固相芯片的55K SNP標記，其單個樣品的分析成本可高達 300—500元。對于一個中小公司來說，花費30萬—50萬元研發經費，最多只能分析1 000個樣本，也就是相當于1—3個育種群體，導致難以大規模用于分子育種實踐，只能用于國家經費支持的探索性研究和少數示范性項目。近二十年來，國際商業育種巨頭通過高度的技術集成和大規模的商業化應用，大大降低了單個樣本的分析成本，實現了分子檢測技術的常規化應用。相比之下，分子檢測技術在中國育種中的應用尚處于起步階段。雖然多數種業企業及育種家已經逐步了解并意識到該技術的巨大潛力，并具有強烈的應用意愿，但由于中國種業公司規模小，投入研發的資金有限，技術平臺薄弱等限制因素，導致分子育種應用進展緩慢。國家和企業投資興建的分子育種檢測平臺也因為檢測成本高昂未能發揮預期的作用。為了推動中國種業創新，提高種業競爭力，發展高效低成本的檢測技術至關重要。因此，需要建立技術和成本均符合中國種業現狀的分子檢測技術服務體系。分子檢測平臺的建設目標是將單個樣本檢測的成本降低到表型鑒定的成本以下（20—30元/樣品），讓每個中小公司的年研發費用可以用于10個以上群體的分子檢測。

近年來，中國在液相芯片檢測領域實現換道超車，一舉突破了成本、平臺和知識產權的三重制約，在大幅度降低分子標記檢測成本的同時，實現了檢測平臺儀器設備的標準化和分析試劑的國產化。石家莊博瑞迪生物技術有限公司開發的靶向測序基因型檢測（GBTS）技術，通過GenoPlexs可以實現高達5 000對標記引物高度均一的多重PCR靶向擴增?；谝簯B探針捕獲的靶向測序-液相芯片基因型檢測技術GenoBaits，可以實現高達40K個標記檢測在一個反應中完成。同時可在每一靶向目標區域內捕獲多個SNP（multiple SNP，mSNP），使最大單次標記檢測數增加到40K mSNP（260K SNP）。該技術可以實現一款多用，即通過控制測序深度，采用同一套標記，可以獲得1K—260K不同數目的SNP標記。在相同標記和樣本數目下，其價格顯著低于國外同類產品[46]。GBTS適合于所有生物，包括動物、植物、微生物[41]。利用GBTS技術，現已開發了玉米20K SNP GBTS標記，并獲得成本效益最大化的10K、5K和1K標記集[47]。利用來自中國、美國、CIMMYT的96份代表性玉米自交系和387份育種計劃產生的中間材料、育成品系進行檢測，確定了獲得不同標記數目所需的測序深度。

與其他分子檢測平臺和技術相比，基于液相芯片的 GBTS技術具有多重技術優勢[41]。（1）平臺廣適性：適合所有二代和三代測序系統，包括Illumina、Ion Torrent和MGI，并預期將與下一代測序或其他檢測設備兼容。（2）標記靈活性：適合各種標記類型，包括SNP、短 SSR、長/短 InDel、已知融合基因、甲基化位點等；適合不同的標記密度；一款多用?？梢詮V泛利用單倍型、LD區段和其他標記衍生物。（3）檢測高效性：可以進行樣本和標記的多重化；開發和升級簡便；設計、測試和檢測成本低。隨檢測技術進步，可以實現檢測的自動化、智能化和超高通量。（4）信息可加性：數據重復率高，缺失數據少；不同時間、地點、項目間的數據具有可比性和累加性；數據整合度高。且信息可加性程度隨技術進步而增強。（5）支撐便捷性：不依賴專業化的生物信息團隊，可以采用通用而簡化的實驗室信息管理系統進行信息的整合、處理和分析。且隨著技術進步，信息管理將更加便捷、快速、智能。（6）應用廣普性：廣泛應用于動物、植物、微生物及其互作群體的進化、遺傳、育種、 知識產權保護等領域。隨著海量信息的累積，將拓展在群體生物學、生態學等領域的應用。目前來看，GBTS的缺點是無法達到固相芯片所能實現的標記的超高密度，不適合高精度的GWAS分析。

基于GBTS的植物液相芯片系列產品及其分子檢測技術平臺將在動植物分子育種中發揮重要作用。在南繁育種中，可廣泛應用于親緣關系分析、分子標記輔助選擇、基因組選擇、品種身份鑒定、品系和雜交種純度檢測等領域[41]（圖 3），從而極大地提升育種相關的異地評價和選擇。依賴 GBTS技術，可以打造高效、低成本的分子育種全產業鏈服務模式。

作為綜合育種技術體系的一部分，在海南等南繁基地搭建的分子檢測平臺，將為包括熱帶作物在內的主要農作物開發和應用不同系列和標記密度的SNP標記，推動長期被忽視的小宗作物、特種經濟作物的遺傳評價和分子育種。分子標記輔助育種技術的全方位大規模使用及其抗病抗蟲抗逆新品種的培育，將減少目標作物產地農藥和化肥的施用，提高南繁基地的使用效率，同時避免其過度使用和生態條件的惡化。

6 南繁種業轉型升級之綜合育種體系

6.1 綜合育種體系

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

圖3 靶向測序-液相芯片技術在南繁種業轉型升級中的應用
Fig. 3 Applications of genotyping by target sequencing and liquid chip in transformation and upgrading of Hainan off-season breeding industry

圖4 實現南繁育種轉型升級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

綜合育種技術體系的重要元件之一是高效育種設施，即在現代化設施和裝備條件下培育適合自然條件下和設施農業種植的新品種。高效育種設施包括三大要素，一是設施農業，即通過控制植物生長發育的各種外界條件來提高資源利用效率和作物生產效率并保護環境。荷蘭和以色列等國通過設施農業創造了花卉和農產品出口的奇跡。這種高效的設施農業提高了作物產量和資源利用率，降低了污染和環境影響，同時改進了產品質量（包括一致性、清潔程度、生產規模、時效且不依賴季節）。這些高端的設施農業需要優質水分和空氣、污水處理、自動化和監測系統、人工智能等的支撐。未來育種需要滿足設施農業條件下的作物生產需求和特定條件的作物產品[22]。高效育種設施的第二要素是現代化的育種設施和裝備，包括試驗和測試的全程機械化和自動化，以日益減少對人工的依賴，提高效率，降低成本，同時緩解南繁用工荒。第三要素是基于種子DNA的分子檢測技術[49]，即建立適合多種作物大規模和常規化種子 DNA分析和檢測技術，從而在播種前完成分子標記輔助選擇，淘汰大部分需要進行田間測試的材料，以提高南繁基地的土地使用效率。高效育種設施的建立將更加經濟有效地利用各種南繁資源，包括生態資源、土地資源、人力資源和平臺設施。

第二個需要整合到綜合育種體系的技術是近年來發展的快速育種（圖 4）?？焖儆N主要是通過調節光照和溫度等條件迫使植物以最快速度完成其生長發育過程，以大大縮短其生育周期，從而加快育種進程[18]?？焖儆N通常是在前述設施農業的條件下實現的。與自然條件下的溫室相比，快速育種能夠將小麥、大麥、鷹嘴豆、油菜的每年2—3代增加到4—6代。這一概念目前已經擴展到通過調節影響生長發育的所有基因，針對同一作物的不同基因型設置特定的環境條件和生長調節因子，實現其快速生殖生長[50]。更進一步，通過獲得促進植物快速生長發育的最佳基因組合或單倍型，實現與分子標記輔助選擇相結合的快速育種。

第三類需要整合的育種技術是轉基因和基因編輯技術（圖 4）。在頂尖跨國公司，轉基因早已成為整個育種鏈條的一部分，通常將最好的育種材料作為“底盤”品種用于轉基因，站在“巨人的肩膀上”添磚加瓦。由于不同材料轉化能力的差異，通常只用一些組織培養特性好的材料作轉化系。由于轉化系的某些農藝性狀可能不夠理想，通常采用轉化的材料作供體，通過標記輔助的回交，把轉基因性狀轉移到最好的育種材料中去。目前，大型跨國公司通過大規模分子標記輔助的回交育種，將2—7個轉基因同時導入數百個不同的品系，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）。與轉基因一樣，基因編輯技術也較容易整合到南繁育種程序中?；蚓庉嬎a生的優異變異也可以通過分子標記輔助的回交轉移到遺傳背景優良的材料中去。此外，分子標記技術亦可用于轉基因轉化體的檢測和在基因編輯過程中大規模篩選和鑒定目標基因組區域的特定變異。

DH技術是第四類應該被整合的育種技術（圖4）。采用DH育種技術，通過單倍體的誘導和加倍，可以在2代的時間內完成常規育種8—10代才能達到的穩定和純合狀態。采用胚拯救和組織培養技術可以在較小的實驗室空間完成大規模的單倍體誘導和加倍，從而通過對少量材料的加倍實現常規育種條件下需要大面積繁殖和選擇才能獲得的穩定和純合材料，因而極大地提高了育種效率。另一方面，對大規模穩定純合育種材料進行分子標記輔助篩選，可以代替田間表型評價以大量淘汰不符合育種目標的DH系。結合基于種子 DNA的分子標記檢測，甚至可以在播種前進行DH系的篩選和評價，只保留符合育種目標的DH系。這種大規模實驗室和播種前的篩選和淘汰技術特別適合于在土地資源有限的南繁育種中采用。

第五類可以整合到綜合育種體系的技術是全基因組選擇（圖 4）。該技術已廣泛應用于動植物的遺傳改良，特別適合復雜性狀的異地選擇。為了品種的環境和生態適應性，只能一個季節在本地、一個季節在異地，交替進行復雜性狀的常規選擇。通過全基因組選擇，可以在本地構建目標性狀的遺傳模型，建立性狀和標記之間的預測關系。然后在異地根據材料的分子標記基因型對其目標性狀進行預測，從而實現異地選擇。這種本地和異地交替進行的全基因組選擇模式可以在育種實踐中通過育種群體和數據的累積而不斷完善和優化，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，還可以進行連續的異地選擇，將育種程序從本地一季、異地一季改變為本地一季、異地兩季或多季，從而大大加快育種進程，提高育種效率。

6.2 資源共享的開源育種模式與應用

分子標記輔助育種、全基因組選擇、轉基因、基因編輯等在國際跨國公司已經成為常規的分子育種技術。中國由于組學支持的商業化育種起步較晚，動植物育種還分散在大學、科研機構和數目眾多的中小公司。大學和研究機構現有的分子育種主要是國家項目支持下的示范性研究，無法大規模推廣使用。中小種業公司因為規模小而缺乏效率，也難以實現分子育種的常規化。

借鑒國際跨國公司管理大量育種站和育種項目、分享信息和資源的實踐，可以考慮在中小育種公司或公共育種單位實施開源育種策略，即把各個分散的中小育種單元看作大公司下的一個育種團隊或育種站，實施與大公司內部一樣的育種程序以及資源和信息共享的策略[51]，以部分實現跨國種業內部的共享機制，提高育種效率。在南繁育種中，通過整合中小公司和育種單位之間的資源和信息，可以實現開源育種模式下的聯合育種。在國際上已經倡導和實施了開源育種計劃。國際農業研究磋商組織（Consultative Group for International Agricultural Research，CGIAR）與康奈爾大學等單位合作，建立了基因組開源育種信息聯盟（Genomic and Open-source Breeding Informatics Initiative, GOBii；http://cbsugobii05.biohpc.cornell.edu/wordpress/）和卓越育種平臺（Excellence in Breeding Platform，EiB）[52]，以推動基于信息平臺的開源育種。在中國，已經有幾個正在嘗試中的類似于開源育種的項目。一是通州國際種業公司牽頭組織的全基因組選擇計劃，組織大學、科研單位和種業公司聯合開展玉米百個群體的全基因組選擇，采用共享的數據構建全基因組選擇模型。二是玉米育種企業和科研單位自發組織起來成立的“中科玉九所聯盟”。該聯盟從2014年開始每年一月在海南省樂東縣九所鎮舉行“九所玉米育種大會”，共享育種技術和平臺，交流育種經驗、分享育種材料，開展新品種聯合測試。這類開源育種模式，通過共享資源和信息，所得結果可以反饋給信息和模型構建系統，以不斷優化育種技術和選擇模型。

6.3 跨動植物的共性技術、平臺和應用

長期以來“動、植物遺傳育種”分為相互獨立和分割的兩家，雙方存在極少的交流和共享。這種分化反映在國家科研規劃和項目的建立和實施、動植物育種專業會議的舉辦、專業和專家有關的微信群的交流、相關專家的朋友圈和人脈關系、動植物育種人才的培養、動植物育種和產業的成果鑒定等方面。盡管在動植物育種相關的基礎領域，比如數量遺傳學領域，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。在動植物育種分化為兩大類群的同時，動物和植物內部也存在很大程度的分化和隔離。例如，在分子植物育種領域，主要的學術交流和活動都以物種或生物類群為基礎進行細分，由主要學會下屬的相關分會組織交流。在動植物之間，完全缺乏有效的交流渠道，更沒有技術、平臺和資源等的共享。

為推動中國動植物育種的現代化和商業化，為在現階段追趕國際跨國育種公司，急需在全國范圍內建立共享的動植物分子育種體系，以解決中國動植物育種規模小、效率低、技術落后、設備和平臺分布不平衡且使用不到位等關鍵問題。構建全國動植物分子育種共享技術和平臺，可以聚合全社會的力量，以解決動植物分子育種領域的共性理論、技術、平臺和應用問題。在南繁作物育種中，建議發展跨作物的分子育種方法（基因編輯獲取DH系）、技術（全基因組選擇）和平臺（液相芯片檢測）。統籌和協調南繁分子育種資源、平臺和設施，以提高建設和投資效率。同時建立統一的分子育種培訓和技術保障體系。近年來，在動植物領域專家的共同努力下，召開了每年一次的前沿分子育種技術研討會。在第一次研討會（2019年5月15—17日，北京）上，發布了“動植物分子育種共性技術和平臺合作聯盟”倡議書。期待建立動植物分子育種聯盟，開展共性理論的探討，共性技術的開發，共性平臺的構建，共性應用的實踐。鑒于海南貿易島的建設包括動植物引進中轉基地，跨動植物的共性技術、平臺和應用將推動海南種業向動植物融合的領域發展。

6.4 資源引進、監測和評價

南繁科學研究基地的建設將圍繞動植物育種科技、國際種業貿易、種質資源產權交易、生態土壤肥料、種業知識產權交易、熱帶特色農科等六大方面展開。為打造面向世界的一流全球動植物種質資源引進中轉基地，需要在資源引進、監測和評價中廣泛采用分子檢測技術。分子檢測技術在這些領域的應用也將成為南繁種業綜合育種體系的一部分。要采用分子檢測技術，對引進資源中的各種伴生生物和病蟲草害等進行監測；要結合表型和環境適應性鑒定，進行生物學特性和遺傳變異的全基因組評價（圖 3）。例如，理論上，可以針對不同病蟲害的生物種群或小種開發特異性的分子標記。采用一套 2K的分子標記，有可能從混合樣本中檢測同一病蟲害的多個不同生理種群或小種，或者多種不同的病蟲害類型。對不同環境下采集的病蟲害樣本進行全方位檢測，將有助于了解病蟲害的發生、發展、變異和流行規律，從而制定合理的病蟲害管理和防治措施[41]。

6.5 資源指紋圖譜、品種保護和種子質量和純度檢測

DNA指紋圖譜庫將成為未來重要的遺傳資源。建立中國推廣品種高密度、可比性強、數據可以累加和共享的高精度 DNA指紋數據庫，將為品種保護制度與國際接軌提供技術支撐，為品種資源交流的規范化提供保障。DNA指紋圖譜數據可為育種親本的親緣關系提供依據，為全基因組選擇育種提供背景信息，為品種保護和新品種查重、DUS鑒定等提供參照數據。通過上述開源育種和資源共享所培育的新品種，可根據材料的指紋圖譜，推斷不同材料對新育成品種的遺傳貢獻，從而根據遺傳貢獻的大小進行利益的分享。因此，未來的資源共享可以在全基因組指紋圖譜構建和品種保護的前提下，完全實行開放式，即任何育種單位和個人都可以獲得他人記錄在案的育種材料用于育種或選擇，只要根據指紋鑒定結果，依據親本貢獻大小按比例分享育成品種的收益即可。

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

7 總結：分子植物育種助推南繁種業轉型升級

南繁種業轉型升級所涉及的領域目前已經取得了如下重要進展：（1）倡導了支撐異地選擇的環境型鑒定新概念。（2）建立和優化了作物基因組選擇系統。（3）通過九所育種聯盟開啟了植物開源育種模式。（4）與CIMMYT等國際農業研究機構的長期合作打通了通向東南亞的國際合作育種的通道。（5）動植物共享分子育種平臺的倡議為平臺和資源共享提供了模式。（6）大規?；蚩寺『凸δ軜擞浀拈_發，為主基因性狀分子標記輔助的異地選擇奠定了基礎。（7）高效低成本國產化分子檢測技術體系的開發，為在海南建立分子檢測技術平臺、服務南繁育種奠定了基礎。

搭建高通量分子育種技術平臺，將帶動分子檢測和育種在海南和南繁基地的廣泛應用，推動南繁工作從低價值的繁種加代向高價值的繁殖+品種選育轉化，進一步提升海南和南繁基地在中國種業發展中的戰略地位。特別是將超低成本的液相芯片技術與基因組選擇、快速育種、轉基因、基因編輯、合成生物學等技術相結合，將導致育種領域的革命。通過多重學科和多種技術的交叉融合，推動作物育種向定向生物合成、分子設計、大數據和人工智能輔助的新一代育種模式轉變。利用海南省三亞的地理優勢，不難實現每年4—5個育種世代的快速育種。綜合育種平臺和快速育種流程的建立必將推動三亞發展成為中國種業之都，并為海南經濟的發展創造新機遇。本文的討論主要針對植物育種，但相關的分子育種理論、技術、平臺和應用也適合其他生物，包括畜禽、水產等領域的生物種業和南繁育種。

致謝：感謝以下項目的資助：山東省省級科技創新基金和濰坊市“一事一議”人才引進項目；中國農業科學院農業科技創新計劃；中國農業科學院作物科學研究所中央非公益類基礎研究項目；比爾蓋茨基金會、CGIAR MAIZE項目。