人类餐桌升级之路：从“驯化”到“设计”的育种技术

  人类食物的主要来源是什么？答案是植物。作为人类食物的主要来源，可食用的植物种类多样，全球约有3万种。但餐桌上似乎不曾见到种类如此丰富的植物。事实上，人类仅用30种可食用植物来养育世界，其中，五类谷物水稻、小麦、玉米、高粱和粟类（如谷子、黍），为全球人口提供了总能量的60%；10种作物为人和家养动物提供了所消耗食物的95%。

  驯化育种时代

  随着时间流逝，人类对这些“自然馈赠”的利用程度不断提高。从原始社会到农耕社会，再到现代社会，不同时代对自然界植物资源的利用是不同的。在原始社会，自然界有什么物种资源，人类就直接采集食用什么资源。到了农耕社会，人类开始驯化物种。

  以水稻为例，栽培水稻是由野生稻驯化而来的。野生稻具有较强的落粒性，而且芒长、壳硬、蜕壳困难等性状，不利于人类利用。经过上万年的驯化和筛选，才有了栽培水稻谷粒大、芒变短甚至无芒以及产量高等特性。

  图片由AI生成

  从野生植物变成栽培作物，这个过程就是驯化育种。变成栽培作物以后会形成一些品种，称之为“农家品种”。在缺乏生物遗传学知识的时代，野生植物的驯化以及繁种，完全靠经验，属于育种1.0时代。

  遗传育种与分子育种

  从十九世纪开始，生命科学的发展推动着育种技术不断升级。二十世纪初，遗传学理论得到发展，科学家开始深入探究遗传和变异的奥秘。最典型的育种技术就是杂交技术，比如，二十世纪三十年代的杂交玉米。

  直到现在，一些作物依然主要通过遗传杂交培育品种，这种遗传育种技术的应用被称为育种2.0。它的缺点是效率低，新品种培育一般需要10年以上，而且很难选出突破性品种。

  分子生物学发展以后，科学家开始知道，育种的结果其实是基因控制的，基因决定生物体长成什么样、具有什么特性，而且还能把这些外貌和特性传递给它的后代。于是，一些分子生物学技术，比如转基因技术，被应用于育种领域，即用某一个基因或者某些基因片段作为辅助的育种，称之为分子育种3.0时代。

  基于分子生物学的分子育种，大大提高了育种水平和效率。分子生物学技术可以快速获知哪些基因是正控制作物性状，哪些基因是负控制，以及它们之间的网络关系。科学家通过转基因技术和基因编辑等手段，从而能够在短短几年内将野生品种快速“驯化”成能满足现代人类需求的全新品种。

  设计育种时代

  尽管现在很多作物仍处于育种2.0和3.0阶段，但是进入二十一世纪后，基因组编辑技术已经将作物育种推向了4.0阶段——设计育种，即基于基因模块及其非线性耦合理论，以及合成生物学思路，借助计算生物学和人工智能设计出理想的品种，大大缩短了育种周期，提高了育种效率。

  比如，现在科学家希望水稻作物长成什么样子，就可以进行设计了。因为所需性状中每一个都由某一个基因的状态决定，把这几个基因有机地整合起来，从而在一个植株里面同时实现科学家所需要的各种性状，这个作物就是科学家想要的品种。目前，我国水稻育种在国际上处于领先水平，已经能够做到运用基因组学和系统生物学去设计品种。

  图片由AI生成

  当前，国家提倡“大食物观”，不仅仅是主粮，还包括蔬菜、水果甚至茶，这些作物改良取得的一系列成果，和植物科学工作者的努力密不可分。植物科学家们利用现代生物学技术推动育种技术的飞速发展，不仅丰富了作物的品类，也创造性地改善了作物的营养成分，为保障粮食安全和重要农产品稳定供给提供了有力支撑。

  随着计算生物学和合成生物学技术的快速发展，设计育种将成为未来竞争的新趋势，并会向智能化、精准化进一步发展。为此，科学家要积极探索新现象、揭示新机制、构建新载体、研发新技术、创立新研究体系，全面推动植物科学发展，为粮食安全与大食物观贡献力量。（光明网基因科普团队）