玉米育种基础知识，玉米种子育种
chanong
|编辑| 深水常丰研究所
作者| 刘冰心，知中网
最近在系统学**吴军的书《科技史纲60讲》，主要内容是从能源和信息的角度分析人类历史上的重要科技进步，很有启发。之所以要从能量和信息两个角度来分析，是因为这个世界的最终答案就是能量和信息。我们以前说过世界是物质，但实际上更准确的说法是世界是能量。物质本质上是由能量组成的（爱因斯坦的质能方程E=MC）。那么消息是什么？信息是组织和调动语言、文本、公式、公理等能量的规律。科学的本质就是通过一系列有效的方法发现这种特殊的信息。
科技史上的重大科技进步最终体现在能源和信息上。牛马的驯化，蒸汽机、煤炭、石油、电力的使用，以及原子弹的出现，极大地增加了人类可用的能源量。语言、文字、纸张、印刷术、电报、电话和计算机等发明增强了信息和通信的传输。孟德尔和摩根发现的三大遗传定律正在陆续应用于育种技术、分子标记、基因测序、转基因等生物技术、统计分析、计算机等领域，这些都与信息直接相关。
在人类真正尝试培育新品种之前，农作物产量的提高依赖于能源的有效利用，例如畜力、犁耕、行耕和轮作。例如，在美国，自从专业育种者开始改良品种以来的150年里，遗传改良对美国玉米产量的增长贡献了约50%，栽培和管理技术的改进也做出了贡献。产量增加50%（Duvick，2005）。新品种的选育很大程度上依赖于遗传信息相关的理论和技术，如遗传规律、生物技术等。施肥、密度、合理轮作、机械化操作以及病虫害管理等栽培技术利用了有关作物与环境相互作用的更多信息。
首先，我们从能源和信息的角度简单回顾和总结玉米育种的一般过程。玉米育种的四个阶段1) 育种1.0 这一阶段从一万年前人类祖先开始驯化谷物到20 世纪初，主要依靠对作物表型变异的目视观察。利用经验和主观判断来选择高产、抗病作物以及符合所需性状的病害和其他材料。如果没有理论假设或科学方法论的指导，进展非常缓慢，主要依靠自然变异的经验选择。
2）育种2.0阶段19世纪末20世纪初，孟德尔和摩根发现了三大遗传规律，爱德华·伊斯特、乔治·哈里森·舒尔和唐纳德·F·琼斯紧随其后。研究杂交玉米。此后，育种者通过预先计划的杂交育种实验选择并培育出现代品种。这一阶段，综合品种、复合杂交品种、单一杂交品种相继育成，玉米产量首次显着提高。
在遗传规律、杂种优势、互惠选择等理论的指导下，育种者首次可以按照预先设计的设计改良和选育新品种，大大提高了效率。但这一阶段仍以经验为主，自交系和品种的选育主要根据植物表型性状和简单的遗传规律进行评价。与此同时，钴60、EMS等诱变技术人为制造大量突变，南方育种加速了育种进程。 3）育种3.0阶段20世纪80年代以来，随着分子遗传学的发展，RFLP、SSR、SNP等分子标记开始用于玉米基因图谱、杂种优势研究、遗传性状多样性分析、目标性状支持等要使用的。选择起着重要作用。通过转基因技术，人类首次打破物种间的生殖隔离，让微生物等外源功能基因片段整合到玉米基因组中发挥功能并稳定遗传。推广耐昆虫和除草剂的玉米使玉米能够在整个生长季节最大限度地减少外部生物和非生物胁迫，并最大限度地提高理论产量。
再加上DH技术、多年异地鉴定和高密度方法的应用，在加速育种进程的同时，提供更多信息，帮助更快、更快地选择更理想的品种。准确。育种者现在第一次拥有了大量的基因型数据，可以用来从各个方面验证和加速表型选择。这个时代计算机的普及也保证了数据管理。
4）孕育4.0阶段新技术的发展速度可能超乎我们的想象；达到1.0阶段可能需要几万年，达到2.0阶段不到200年，达到2.0阶段不到200年达到2.0阶段，需要不到半个世纪的时间。 3.0阶段4.0阶段可能很快就会到来。
随着测序技术、高通量表型分析、基因编辑、5G、人工智能等技术的突破性进展，我们可以想象4.0时代的育种图景。如果我说育种是一场数字游戏和概率事件。
那么，未来的育种将是真正的大数据育种，未来的育种将由现场管理（栽培、植保、机械）+数据采集（表型、基因型等大数据、人工智能、5G）+数据组成。处理（数学）。智能）。 4.0时代，数据信息将成为种业企业最重要的资产和竞争优势。我们应该如何迎接育种4.0的到来？DH、分子标记、芯片测序等技术的进步，意味着自交系不仅可以越来越快地改良和迭代；自交系和品种信息描述也更加全面和准确。准确的。 3.0阶段后，土地、人力、机械等能源增长速度放缓，而信息增长速度则被放大。单纯通过增加能源投入来提高产量，无论是通过育种（遗传）还是栽培（环境），边际成本越来越高，而更可行的解决方案是遗传和环境信息的结合，实现突破和领先。发现、收集和利用。在种植（环境）方面，拜耳气候的精准农业就是一个很好的例子。通过收集气候、土壤、肥料、病虫害等大量数据信息，并将其与农作物（如玉米）的生长模式相结合，可以构建农作物与环境相互作用的解决方案模型。整个生长季节。
目前，虽然孟山都、先锋等一些世界顶尖种业公司正在从3.0向4.0转型，但国内种业仍处于2.0至3.0阶段，差距很明显。那么我们应该如何应对呢？以下是个人的简要感受，供大家参考。
1）思维的转变工业时代的科学基础是机械论，强调确定性和可预测性。然而，自从20世纪初爱因斯坦的相对论和海森堡的测不准原理问世以来，普朗克、玻尔和薛定谔等物理学家已经意识到，不连续性和不确定性是我们世界中的一个问题，我意识到确实存在。从机器时代到信息时代，新的科学基础和方法是控制论、信息论和系统论。控制论研究如何在许多内部和外部不确定性下保持动态系统的平衡状态的方法。其核心思想是利用对各种输入信号的反馈来控制系统问题。信息论也是一种方法论，信息论是我们今天讨论的大数据思想的科学基础。信息论最基本的思想就是消除不确定性。消除不确定性的关键是通过更多数据和先进工具获得更多信息。所有科学肯定都是收集和处理信息的科学。这个过程可以概括为获取信息、处理大量数据以及编排和总结模式的一种方式。在经验育种时代，育种者系统地选择可预测性。在信息时代，育种者不断通过各种工具和数据消除任何环节的不确定性。当然，一开始效果可能不太理想，但随着技术的发展，会变得更加高效和准确。当那一天到来时，育种将成为数学家和种植者的工作。先锋公司在20 世纪80 年代的高强度育种和多年试验提供了更多信息，分子标记的应用也提供了更多信息。
另外，通过组内老师之间的相互互动和分享，每个人都可以获得更多的信息，信息的交流减少了后续工作中的不确定性，所以我觉得非常有收获。系统理论是一种管理高度复杂的产品和系统的方法，从系统理论的角度来看，整体性能并不是通过优化局部性能来实现的。之所以这么多人想用苹果的iPhone，并不是因为它的配置先进，而是因为没有人比乔布斯更好地将科技与艺术结合在一起，而且苹果手机的整体体验是优越的。因为它就是。玉米品种也是如此；如果将品种分解为产量、各种耐受性、株高、生长期等数据指标，那么苹果手机的整体表现就像是玉米品种的最终表现。从性质上来说，我们最终寻求的是全局最优解，而不是最简单的部分指标的累加。 2）对新技术的理解和进一步应用，必须立足于未来，不能将我们做事的方式限制在今天的技术上。计算机、分子标记、基因改造以前都是新技术，而智能手机10年前还不存在。
总之，新时代需要新思维、新技术。思考这个问题的正确方法是从未来的角度回顾今天，而不是根据现有的技术来预测明天。我们要采取终身学**的态度，积极了解和学**基因编辑、数字技术、人工智能等新技术。育种4.0时代常规育种的定位与应对面对即将到来的4.0时代，常规育种者最关心的是如何定位与应对。
育种的最终目标是产品或品种，而该产品的基础是近亲繁殖。根据系统论的视角，复杂系统（不同的系统可以理解为内部基因与外部环境相互作用的复杂系统工程）的最优结果是由简单的结果决定的，而不是累积。育种的本质是优势等位基因的集合，但优势基因也是针对特定环境和特定需求的，大多数基因是影响较小的基因，而对影响较小的基因的改良至关重要。相互选择。分子标记、转基因甚至已被证明有效的基因编辑技术可以主要解决质量性状问题，因为在大多数情况下单核苷酸替换无法解决问题。也就是说，新技术主要应用于最新、最好的自交系，而我们传统育种者最擅长选育新的自交系。在不久的将来，比如说30到50年内，传统育种者仍然需要竭尽全力，积极尝试了解和应用新技术。面对大公司先进的技术和丰富的资源，我们有什么优势？通常的思维方式是与最强的大公司竞争，即你死我活，但第二种思维方式是逃避现实，试图与最弱的公司竞争。然而，大公司的竞争优势并不是凭空产生的，而是多年努力的结果，而且他们一定围绕着这一优势积累了太多隐形优势，道路也是艰难的。所以你逃避现实，你逃避现实，但现实是这个细分市场可能很小，你不去关注。大公司最大的弱点实际上是迁移成本。大公司过去建立的优势往往是下一次重大突破的�**� IBM、柯达和诺基亚就是这种情况。先驱公司也取得了巨大的成果。传统育种的强大优势导致了基因改造技术的进步，被后来者孟山都公司超越。主要原因是变革的成本巨大，而变革后原有的优势就丧失了，而新的优势可能还没有形成。此外，更改过程非常缓慢且耗时。