植物育种基础：通过选择性育种创造新品种

植物育种是改变植物性状以产生所需特性的艺术和科学。它已有数千年的历史，始于早期农民从每次收获中选择最好的种子用于种植下一代。如今，植物育种结合了传统技术和现代科技，以创造出更具生产力、抗病性更强、更能适应各种环境条件的改良品种。本文全面概述了植物育种，重点介绍了选择性育种，这是最古老且使用最广泛的方法之一。

什么是选择性育种？

选择性育种，又称人工选择，是选择具有理想性状的植物并将其用作亲本以产生下一代的过程。这个过程会重复多代，逐步改善群体中所需的性状。与基因工程不同，选择性育种在植物物种中已存在的自然遗传变异范围内进行。它不引入来自其他物种的外来基因。它是一种引导进化过程向有利于人类方向发展的方法。

选择性育种的原理

选择性育种依赖于几个关键原理：

• 变异：群体内的个体必须表现出目标性状的变异。没有变异，就无法进行选择。这种变异源于个体间的遗传差异。
• 遗传性：所需性状必须是可遗传的，这意味着它们可以从亲本传给后代。受环境强烈影响的性状可能难以通过选择性育种来改善。
• 选择：育种者必须能够识别和选择最能表达所需性状的个体。这需要仔细的观察、测量和评估。
• 繁殖：被选中的个体必须能够繁殖，无论是通过自花授粉、异花授粉还是营养繁殖。

选择性育种的步骤

选择性育种的过程通常包括以下步骤：

1. 确定育种目标

第一步是明确定义育种目标。您希望改善哪些理想性状？例如包括：

• 提高产量（例如，每株谷物更多，果实更大）
• 提高抗病性（例如，抗真菌、细菌或病毒病害）
• 提高营养含量（例如，更高水平的维生素、矿物质或蛋白质）
• 更好地适应特定环境（例如，耐旱性，抗寒性）
• 提高品质性状（例如，更好的口感、质地或外观）

育种目标应具体、可衡量、可实现、相关且有时限（SMART）。例如，一个育种目标可能是五年内在干旱地区开发一种小麦品种，使谷物产量提高20%。

2. 选择亲本植物

确定育种目标后，下一步是选择具有所需性状的亲本植物。这包括评估大量植物并选择最符合育种目标的个体。育种者通常同时考虑多个性状，因为改善一个性状有时可能会对另一个性状产生负面影响。亲本植物的来源可以包括：

• 地方品种：由农民世代培育的本地适应品种。地方品种通常具有广泛的遗传多样性，是抗病性、抗逆性和独特品质性状基因的宝贵来源。
• 传家宝品种：多年来通过家庭或社区传承的开放授粉品种。像地方品种一样，传家宝品种可以是独特性状和遗传多样性的来源。
• 育种系：通过育种计划先前选择和改良的植物。育种系通常具有理想性状的组合，可以用作亲本以创造更好的品种。
• 野生近缘种：与栽培作物密切相关的野生种。野生近缘种是抗病性、抗逆性以及栽培品种中可能缺失的其他性状基因的宝贵来源。然而，栽培作物与野生近缘种杂交可能具有挑战性，并且可能需要特殊技术。
• 基因库：为保护和育种目的而维护的种子或其他植物材料的集合。基因库是育种者获取广泛遗传多样性的重要资源。例如挪威的斯瓦尔巴全球种子库和世界各地的国家基因库。

选择过程可以基于目视观察、性状测量（例如，株高、果实大小、产量）或实验室分析（例如，测试抗病性或营养含量）。在某些情况下，育种者使用标记辅助选择（MAS），这是一种利用DNA标记来识别携带有特定所需性状基因的植物的技术。MAS可以加速育种过程并提高其效率。

3. 进行杂交

选择亲本植物后，下一步是在它们之间进行杂交。这涉及将花粉从雄性亲本转移到雌性亲本。杂交的具体方法取决于植物物种及其繁殖生物学。有些植物是自花授粉的，这意味着它们可以自行受精。其他植物是异花授粉的，这意味着它们需要来自另一株植物的花粉才能受精。

在异花授粉植物中，育种者通常使用人工授粉来控制杂交并确保使用所需的亲本。这包括小心地从雌性亲本上移除花药（产生花粉的器官）以防止自花授粉，然后将花粉从雄性亲本转移到雌花的柱头（接受表面）上。然后覆盖花朵以防止其他植物或昆虫进行不必要的授粉。

杂交产生的种子被称为F1（第一子代）。F1植物是杂交种，这意味着它们具有来自双亲的基因组合。F1代通常是均一的，并且可能表现出杂种优势（heterosis），这意味着它们比任何一个亲本都更具活力和生产力。

4. 评估和选择后代

下一步是种植F1植物并评估它们的表现。这涉及在田间或温室中播种，并观察它们的生长、发育和产量。育种者仔细测量和记录感兴趣的性状数据，例如株高、开花时间、抗病性和产量。在某些情况下，他们还可能进行实验室测试以评估作物的营养含量或品质。

根据收集到的数据，育种者选择表现最好的植物作为下一代的亲本。这个过程重复多代，逐步改善群体中所需的性状。在每一代中，育种者选择最符合育种目标的植物，并淘汰其余的。

选择过程可能具有挑战性，因为F1代通常会因各种性状而分离。这意味着F1植物的后代将表现出广泛的变异，使得识别最佳个体变得困难。育种者通常种植大量的植物群体，以增加找到所需性状组合的机会。

5. 稳定品种

经过几代选择后，所得植物的所需性状将变得更加均一和稳定。这意味着后代将更像其亲本。为了稳定一个品种，育种者通常采用近亲繁殖，这涉及将植物与自身或与密切相关的个体进行杂交。近亲繁殖增加了植物的纯合性，意味着它们拥有更多相同的基因拷贝。这减少了群体中的遗传变异，使品种更具可预测性。

近亲繁殖也可能产生负面影响，例如活力和生育力下降。这被称为近交衰退。为了避免近交衰退，育种者通常采用其他技术，例如单粒系选法（SSD），它涉及在每一代中从每株植物中选择一颗种子。SSD允许育种者保持大量的遗传多样性，同时仍逐步改善所需的性状。

6. 测试和发布

一旦品种稳定下来，就需要对其进行测试，以确保它在不同环境和不同管理实践下表现良好。这涉及在多个地点进行田间试验，并将新品种的表现与现有品种进行比较。这些试验旨在评估新品种的产量、抗病性、品质和适应性。

如果新品种在试验中表现良好，就可以向农民发布。发布过程通常包括从政府机构获得官方注册或认证。这确保了该品种符合一定的质量和性能标准。育种者还需要制定种子生产和分销策略，以确保农民能够获得新品种。

选择性育种的成功案例

选择性育种在世界范围内对改善作物和牲畜起到了关键作用。以下是一些例子：

• 小麦：在过去的一个世纪里，选择性育种极大地提高了小麦产量。现代小麦品种比其前辈更具生产力、抗病性更强，并能适应更广泛的环境。由诺曼·博洛格领导的绿色革命，主要依靠选择性育种高产小麦品种来对抗发展中国家的饥饿。
• 水稻：与小麦类似，选择性育种显著提高了水稻产量，尤其是在亚洲。半矮秆水稻品种（如IR8）的开发是抗击粮食不安全方面的一个重大突破。
• 玉米：选择性育种将玉米从一种相对低产的作物转变为世界上最重要的作物之一。现代玉米品种比其祖先更具生产力、抗病性更强，并且更能耐受逆境。杂交玉米，通过杂交两种不同的自交系产生，表现出高水平的杂种优势。
• 番茄：选择性育种产生了各种形状、大小、颜色和风味的番茄品种。育种者还开发了抗常见病虫害的番茄品种。
• 牲畜：选择性育种已用于改善牲畜的生产力和品质数百年。例如，育种者选择产奶量更高的奶牛、产蛋量更多的鸡以及生长更快、更精瘦的猪。

这些只是选择性育种众多成功案例中的几个例子。选择性育种在改善世界范围内的粮食安全、营养和生计方面发挥了至关重要的作用。

选择性育种的优缺点

选择性育种具有以下几个优点：

• 相对简单且经济：选择性育种是一种相对简单且经济的技术，资源有限的育种者也可以使用。
• 在自然变异范围内进行：选择性育种在物种内已存在的自然遗传变异范围内进行。这避免了引入来自其他物种的外来基因的需要。
• 可同时改良多个性状：选择性育种可用于同时改良多个性状。
• 产生稳定品种：选择性育种可以开发出在多代中保持其所需性状的稳定品种。

然而，选择性育种也存在一些缺点：

• 过程缓慢：选择性育种可能是一个缓慢的过程，需要多代才能实现显著的改进。
• 受限于现有变异：选择性育种受限于物种内可用的遗传变异量。如果所需性状在群体中不存在，则不能仅通过选择性育种引入。
• 可能导致近交衰退：近亲繁殖常用于稳定品种，可能导致近交衰退，从而降低活力和生育力。
• 可能无意中选择不受欢迎的性状：选择性育种可能无意中选择与所需性状相关联的不受欢迎的性状。

补充选择性育种的现代技术

虽然传统的选择性育种仍然是基础，但现代技术提高了其效率和精确性：

标记辅助选择 (MAS)

MAS使用与目标基因相关的DNA标记，在植物发育早期识别带有这些基因的植物。这加速了选择过程，特别是对于难以或昂贵直接测量的性状（例如，抗病性）。

基因组学和生物信息学

基因组学的进步使育种者能够分析植物的整个基因组，识别控制重要性状的基因。生物信息学工具用于管理和分析基因组研究产生的大量数据。

高通量表型分析

高通量表型分析使用自动化系统和传感器大规模快速测量植物性状。这使育种者能够更准确地评估更多植物，提高选择效率。

双单倍体

双单倍体技术通过在一代内创建完全纯合的植物来加速育种过程。这消除了通过多代自花授粉来实现稳定性的需要。

基因组编辑

CRISPR-Cas9等技术使育种者能够精确编辑植物基因，引入所需性状或去除不需要的性状。虽然基因组编辑本身不是选择性育种，但它可以通过创造新变异或纠正缺陷来补充选择性育种。

植物育种的未来

植物育种在21世纪面临诸多挑战，包括：

• 气候变化：开发适应不断变化气候的品种，包括增加的干旱、高温和洪涝。
• 新发病虫害：开发抗新型和不断演变的病虫害的品种。
• 粮食需求增加：提高作物产量以满足日益增长的全球人口对粮食的需求。
• 可持续农业：开发更可持续的品种，减少水、肥料和农药的使用。
• 营养安全：改善作物营养含量以解决营养不良和微量营养素缺乏问题。生物强化，即通过育种或基因工程增加作物营养含量的过程，是改善营养安全的重要策略。

为了应对这些挑战，植物育种将需要继续创新并采用新技术。这包括使用基因组学、基因编辑和高通量表型分析等先进技术。它还需要促进育种者、研究人员和农民之间的合作，以确保新品种能够很好地适应当地条件并满足农民的需求。

伦理考量

植物育种也引发了几个伦理考量：

• 种子获取：确保农民能够获得价格合理且高质量的种子。种子公司经常对新品种申请专利，这可能会限制获取并增加种子成本。
• 遗传多样性：保护作物的遗传多样性。少数高产品种的广泛采用可能导致遗传多样性丧失，使作物更容易受到病虫害的影响。
• 对小农户的影响：确保新品种惠及发展中国家的小农户。一些新品种可能需要昂贵的投入或管理实践，而这些投入或实践是小农户无法获得的。
• 透明度和公众参与：让公众参与植物育种的讨论，并确保过程透明和负责。

解决这些伦理考量对于确保植物育种有助于建立一个更可持续和公平的粮食系统至关重要。

结论

选择性育种是改良植物的强大工具，在提高粮食产量和改善人类福祉方面发挥了至关重要的作用。通过了解选择性育种的原理和技术，育种者可以开发出更具生产力、抗病性更强、更能适应不断变化的环境的改良品种。面对气候变化和全球人口增长等新挑战，植物育种将继续是确保粮食安全和可持续未来的关键。现代技术的整合，结合对伦理和可持续实践的承诺，将对最大限度地发挥植物育种对所有人的益处至关重要。