“水稻约有5.6万个基因，玉米约有6万个基因，小麦约有12万个基因，这数以万计的基因是如何调控植物发育、生长和环境适应，进而表现出株型、穗型、穗粒数等表型性状的呢？”在近日召开的第708次香山科学会议上，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员杨维才抛出了这个问题。
他认为，这是建立分子设计育种体系必须回答的重大科学问题，要解决它，需首先突破基因型-表型精准解析这一瓶颈。
与会专家认为，作物表型组学这一基于多学科交叉的新兴学科，将推动优良作物新品种高效选育关键核心技术的变革，实现种子精准分子设计与创造，保障种源自主可控。
探究基因和性状的对应关系
种子被誉为农业‘芯片’，种子创新是推动农业发展的核心动力。然而，我国大豆、玉米单产远低于美国，土豆、胡萝卜、西兰花等蔬菜种子，尤其是高端品种严重依赖进口。长期以来，存在种质企业竞争力薄弱，研发投入不足等问题。
“大家常说‘国外种子论粒卖，国产种子论斤卖’，拿辣椒来说，国内外种子价格相差几十倍。”杨维才说。
20世纪以来，育种技术的发展经历了杂交育种、基因工程育种、分子育种等几个阶段。分子育种是当今作物遗传改良的前沿技术，大幅提高了育种效率。
要在此基础上取得突破，进一步实现从分子育种到更高效的精准设计育种的跨越，首先要做的就是探究清楚哪些基因决定哪些性状。
过去二十多年来，基因组研究快速发展，数以千计的作物品种被测序，大量重要性状的功能基因被鉴定。然而，由于遗传变异、表观变异和环境因子的复杂性，基因与性状的对应关系仍是分散和未知的。究其根本，主要是我们对性状的精准鉴定存在技术瓶颈。
“传统种植作物时，我们了解它的样子，但很多细节是没办法描述的，比如，它有多少穗、多少粒，这一株需要多少光照、多少水、产量多少？以前我们数一数、称一称、能估计出大概的数值，但现在我们能将其数据化，把这些统统精准计算出来。”中国科学院院士、华中农业大学教授张启发告诉《中国科学报》。
“我们希望打造一本‘辞海’，将生物体表现出的全部性状和调控这些性状的基因一一对应起来。这样可以根据我们的需要，通过特定基因的编辑和组装，实现精准设计育种。”杨维才说。
研究设施、环境模拟、数据采集解析，缺一不可
生物体表现出的全部性状即表型组。由此发展起来的表型组学，可以对细胞、组织、器官，乃至个体、种群的表型开展系统研究分析，有效认识生物体基因型、环境因素和表型之间的复杂关系，即打造“辞海”的过程。
这首先需要表型设施作为支撑。“我国虽然在表型组学方面早有设想，但由于设施和装备有限，难以实现多维数据的采集和整合。”杨维才说，因此，建设规模化、高通量、高精准度、开放共享的作物表型研究设施势在必行。
此外，还需要作物表型数据采集技术和智能大数据解析技术。
“作物表型数据采集技术包括3D成像、CT成像、高光谱成像、微观气孔技术等，其发展应坚持‘硬件设施和软件技术并重’，注重多学科交叉人才培养，提倡标准数据共享。”华中农业大学植物科学技术学院教授杨万能说。
中国农业大学农学院教授王向峰表示，建立作物智能设计育种技术体系，一是要应用机器学习等人工智能算法开发各类数据驱动的育种模型，二是要建立作物育种信息管理与数据自动化分析系统，这将推动育种从“科学”到“智能”转变。
同时，可控环境模拟对表型分析也至关重要。“农业的区域性非常明显，海拔、经纬度等不同，导致作物生长状态也不同，我们通过环境模拟和分析，希望实现根据当地的环境来精准设计育种，使种子最适合当地的条件，实现‘量体裁衣’。这也有助于满足人们对未来健康食品的特定需求。”中科院遗传发育所研究员陈凡说。
他表示，未来还需研发智能化规模化的环境模拟与监测系统，实现对水分、土壤、虫害、病害、温度、光照等生长环境的全天候模拟和控制，真正实现表型与基因型的关联分析，从而实现种子的精准设计与创造。
