玉米商业化育种新思路

转自：Liu Dreamer博客

玉米是我国种植面积最大的粮食作物, 相应的玉米种子作为重要的农业生产资料，对增加产量和改善品质起着至关重要的作用。由于目前玉米种质资源分散，企业品种创新能力弱，玉米新品种选育在低水平上徘徊不前。因此商业化育种是培育突破性优良品种，保障国家粮食安全的有效途径和必经之路。美国从20世纪30年代开始不断摸索，经历了近半个世纪完成了玉米的商业化育种进程。我国如何站在巨人的肩膀上用较短时间(5-10年)快速提高国内玉米种业的核心竞争，完全取决于企业是否有商业化育种的创新思路，最终由内而外的完成玉米育种技术全面升级。

1.玉米种质资源

玉米育种在我国只有短短七十多年的历史，当前玉米种质资源研究领域有各种难以逾越的障碍，已成为我国玉米商业化进程中最为严重制约因素。严峻形势如长此以往恶化下去，玉米商业化育种将成为无根之木，无源之水。

1.1放眼全球拓展优良种质资源

种质资源匮乏，遗传基础狭窄是我国玉米种质资源的基本现状。所谓知己知彼，百战不殆。国际大公司的核心玉米种质资源（Elite Line）占总资源的比例不到10%。种业巨头们每年在培育10%Elite line的同时，在世界范围内不断收集筛选foundation seed（base seed），为不断改良Elite Line提供物质基础。

我认为我国玉米种质资源值得关注一下几个问题：首先种质资源数量尚可，但质量不高，尤其缺乏优质、抗逆、高适应性的玉米种质，远远达不到10%Elite line的水平。其次是忽视对foundation seed的收集和整理，面对世界各地优良种质资源缺乏鉴别力，引种有很大的重复性，而没有考虑优势互补。比如美国玉米种质主要用来提高产量和品质性状，欧洲玉米种质对提高抗寒，出苗等性状有帮助，而中国本地和南美的种质资源有利于提高抗病性。在今后引入优质种质资源就能全方位布局，有针对性的将好的性状整合到自己的育种体系中去。最后是没有世界范围内种质资源大规模系统化转运的经验。每年UPS帮助Monsanto在全世界范围内转运了有数百万份的种子资料，当然中国因为不能进口种子，私人携带种子入境成为种质资源转运的重要手段。但是育种是概率游戏，这就要求育种公司通过大规模收集筛选全球种质资源，合理合法有序地进口种子，来达到扩大育种公司的资源库的最终目的。

1.2重新建立杂种优势群

杂种优势是一个以育种经验为出发点的相对概念。目前中国的杂种优势群的分类研究和美国20世纪60年代很相似，当年美国的玉米种质资源被划分成了5个大类，相互之间都有一定的杂种优势。后来先锋公司内部为了方便育种，人为划分了两个群：适合做母本的Stiff Stalk群和适合做父本Non-stiff Stalk群。因此玉米商业化育种的关键一步就是分析公司现有种质资源并重新建立杂种优势群，把杂种优势群减少为两个。这个目标可以通过田间观测和实验室fingerprinting技术两个方面同步完成，互相验证。今后新的种质资源也是基于这两个方面的验证结果归类于母本群或者父本群。

2.建立先进的育种体系

任何一个先进的育种体系都是在这个企业多年育种经验的积淀基础上萃取升华的结果，终端服务对象就是我们的Breeder。目的就是让他们能够非常快捷而且灵活地掌控庞大的种质资源库。这个体系的每个环节都是多学科的大融合：比如传统的育种理论，先进的生物技术，生物信息学，生物统计学和计算机学等等

2.1 DH 生产体系

DH的稳定生产是现代化育种能顺利推进的重要保证，关键在于针对自身种质资源库选择合适的诱导系。当今国内流行的各种第一代诱导系材料，普遍存在诱导率低，加倍效率不高的问题，而且诱导系材料对于中国本土的Germplasm有一定的偏好性。国内某企业通过扩大诱导基数，加大人工投入满足了初期的稳定生产的需求。国外诱导材料已升级到第三代，完全能满足国外大公司300-500万DH line的生产能力。

DH稳定生产的最大优点是使Inbred的开发从以往的6-7年缩短到3年。但是现在很多人忽略了环境这个数量遗传里面的最重要因素。DH群体的遗传潜力在的育种的最初阶段被固化了，每次的TC和Yield Test都只能是检测这些固化的遗传力。传统的多代自交使准Inbred的遗传潜力在不同环境条件下得到充分挖掘，这样更可能从多年多点实验中得到超级Hybrid。

2.2 Genotyping，Sequencing and Phenotyping

最近几年随着价格的急剧下降，Genotyping不再成为育种研究的障碍。在国外育种公司，SNP genotyping已经成为了标准流程的一部分。但是核苷酸是一切生物研究的基础也是最终解释一切生物性状的根本，第二代高通量Sequencing技术在育种方面的应用已经成为研究种质资源的初始步骤。中国本土的germplasm有自身特点和性状优势，生搬硬套国外SNP discovery结果是不现实的。利用NGS技术对现有germplasm进行深入分析研究，将对今后育种发展起着事半功倍的作用。

数据采集是费时费力，极具主观性。因此相对于Genotyping和Sequencing的飞速发展，Phenotyping一直是徘徊不前，发展缓慢，尤其是对复杂性状（比如yield）的研究没有突破性进展。Monsanto和Pioneer都开发了自己的全息成像系统来研究生长发育周期和复杂性状，但收效甚微。由此看来，快速廉价并且准确地获得Phenotypic data将是一个很有前途的发展方向。

2.4数量遗传学为基础的数据分析

数量遗传学的出现为育种作为一门专业学科奠定了理论基础。但是近20年来数量遗传学研究已经慢慢消失在中国玉米育种科研领域，做这方面理论研究的人寥寥无几。但是欧美育种学科将群体遗传，数量遗传，统计分析和计算机编程作为作物遗传育种专业的必修课。同时数量遗传学理论研究的领军人（如我导师和他的研究团队）都在国际大公司做高级咨询师，随时获得一手数据并提供customerized技术支持。这种双赢的合作方式如何转移到中国企业，值得我们探讨和关注。

2.5 生物技术的适时介入

当前谈论最多，投入最多最大的是转基因作物在中国的研究，审定和大面积推广。对于抗虫、抗病、抗除草剂这样的质量性状，转基因已经基本达到了提高抗性的目的。但是这种大投入不一定能在短时间内，甚至长时间内带来大产出。中国转基因作物还停留在转单个基因，少量片段阶段。而Monsanto与陶氏已经共同开发的玉米品种SmartStax含有八个基改特征。如果一味的Follow转基因这个研究方向，可能中国很多种业会舍本求末，误入歧途。

随着研究的深入，我们对复杂数量性状有了新的认识。数量性状由多基因控制，受环境影响较大，因此coding和non-coding RNA和甲基化表观遗传研究越来越受到关注。Monsanto生物技术研发部门已经开始了mRNA在抗逆方面作用的探索性研究。

商业化育种的盈利并不是在产业链最后一个环节（品种审定）以后才开始。在美国每个DH line的市场售价是$30-50。Genotyping和Sequencing按每个datapoint收费。Phenotyping也可以按客户要求进行数据采集。Monsanto和Syngenta每年专利转让金会占到公司销售收入的20%以上。所以先进育种研发体系的任何环节都可以是企业的盈利点。

总的来说，创新DNA是任何一个种业企业完成商业化蜕变，实施国际化布局所必备的基本素质。Peter Thiel， Paypal的创始人和Facebook的投资人，提出过一个新的概念：Creative monoply创新性垄断。就是创造一个新的市场需求，让大家都来用你的产品和服务。这种垄断能激励创新，对社会意义及其重大。Monsanto创造了一个转基因的市场需求，世界各大中小种业公司都要缴纳license fee来获得这个基因的授权。国内数家大型种业公司纷纷效仿大力推动转基因研究。Pioneer发明了转让金据传高达一亿美金的SPT技术。国内已经有至少3个企业/科研院所跟进这一领域。知名种业公司一个跨时代的技术产生是时间和金钱长期积累的结果，也是公司内部与时俱进的需要。美国用星球大战拖垮了苏联，一味追求高新技术也会成为中国玉米育种发展的累赘。没有好的玉米品种需要做SPT，后者存在也没有太大的意义。