植物育种定义

植物育种是通过科学的方法来改良植物的特性，以产生期望的品质。它被用于改善人类和动物的食物营养价值。植物育种的目的是创造具有更优越和独特特性的作物新品种，以适应各种用途。最常讨论的农业性状包括那些与生物和非生物胁迫耐受性、谷物或生物量产量、最终用途品质特征（如味道或特定生物分子（蛋白质、糖、脂类、维生素、纤维）的浓度）以及加工便利性（收获、研磨、烘烤、麦芽化、混合等）相关的性状。

植物育种可以通过多种方法进行，从简单的选择具有期望性状的植物进行繁殖，到更先进的分子技术，这些技术依赖于对遗传学和染色体的理解。植物将具有的定性或定量性状取决于其基因。植物育种者致力于在他们的植物中产生特定的结果，包括可能是一种新的植物类型。在这个过程中，他们将该品种的遗传多样性减少到少数几个生物型。

园艺师、农民和在政府机构、大学、特定作物行业团体或研究机构等机构工作的专业植物育种者，都是在全球范围内参与这项工作的人员中的一部分。根据国际发展组织的数据，开发新的、产量更高、抗病、耐旱或针对不同地区和生长条件定制的作物新品种，对于维持粮食安全至关重要。

根据近期研究，如果没有植物育种，欧洲在过去20年中将减少20%的耕地作物产量，额外占用2160万公顷土地，并释放40亿吨碳。目前，通过将为摩洛哥培育的小麦品种与当地植物杂交，正在为法国北部开发新的小麦品种。德国南部目前是种植大豆的主要地区，而过去法国南部也是如此。

遗传学与植物育种

“遗传学之父”是格雷戈·孟德尔（1822-1844）。他通过对植物杂交的研究，提出了遗传法则。遗传学激发了植物育种研究，以提高农业产量。

为了产生期望的表型，可以通过引入选定的基因或基因，或通过RNAi破坏基因来对植物进行基因改造。转基因植物通常用来描述添加了基因的植物。如果基因改变的基因不使用与该物种或可杂交植物的基因相同的启动子，则称它们为顺式基因植物。由于植物基因组的一小部分被改变，基因改造有时比传统育种更快地产生具有期望特征或性状的植物。

历史

自农业诞生之初，人类一直在进行植物育种。在最初驯化谷物后不久，人类就开始区分田间作物不同等级的优劣，并开始储存最优良植物的种子来播种新的作物。这些初步的选择技术为早期植物育种实践奠定了基础。

早期植物育种技术的结果是显而易见的。今天的变种与其野生祖先差异如此之大，以至于它们在野外无法生存。事实上，在某些情况下，栽培形式与其野生近亲的差异如此之大，以至于甚至无法确定它们的祖先是谁。从进化的角度来看，这些令人惊叹的改变是由第一批植物育种者在很短的时间内完成的，而且变化的速度可能高于任何先前进化事件。

格雷戈·孟德尔在19世纪中叶通过豌豆植物说明了遗传学的基本原理，为科学植物育种奠定了基础。在20世纪早期，利用遗传法则改良植物取得了进展，因为它们得到了更明确的定义。科学育种简短历史中最重要的发现之一是，世界植物中存在着巨大的遗传变异丰富性，而对其潜力的利用才刚刚开始。

经典植物育种

选择具有期望性状的繁殖植物并剔除或“淘汰”那些性状不那么理想的植物，是植物育种中最主要的方法之一。

另一种创造具有有利性状的新作物新品种或品系的方法是，在近亲或远亲个体之间进行有意识的杂交（杂交）。当植物杂交时，一个品种或品系的特征或基因会被引入不同的遗传背景。例如，可以将抗白粉病的豌豆与产量高但易受白粉病侵袭的豌豆杂交，以增加抗白粉病能力而不牺牲高产量。为了确保后代与高产亲本最相似，后代将再次与该亲本杂交（回交）。该杂交的后代将进行产量测试（也称为选择，如前所述），并且对白粉病具有高产抗性的植物也将进一步改良。为了创造供育种用的不育系，植物也可以相互杂交。使用授粉袋，可以阻止授粉者。

染色体之间的同源重组是经典育种产生遗传变异的关键组成部分。传统植物育种者还可以利用各种体外方法，如原生质体融合、胚拯救或诱变（见下文），来创造多样性并产生自然不存在的杂合植物。

育种者试图在农作物中培育以下性状：

• 更高的营养、更好的味道或更高的吸引力是高品质的例子。
• 更高的作物产量
• 增强对环境胁迫的耐受性，如干旱、高温和盐碱
• 抵御细菌、真菌和病毒
• 增强对昆虫侵扰的耐受性
• 更高的除草剂耐受性
• 延长生产作物的储存时间

现代植物育种

现代植物育种的基础是应用遗传学，它包括生物学、细胞学、生理学、病理学、昆虫学和统计学。此外，它也发展了自己的技术。

在植物育种中，有时几种不同的基因可能影响期望的性状。可以使用DNA指纹技术或分子标记等技术来绘制许多基因的图谱。这使得植物育种者能够检查大量植物，寻找具有期望性状的个体。筛查是基于实验室过程确定的特定基因的存在或不存在，而不是视觉识别植物内在表现出的性状。

植物育种过程的类型

1. 回交育种或引进育种

回交是作物育种者有时使用的一种技术。将具有期望性状的植物——例如，抗白粉病——与具有所有其他期望性状但缺乏期望性状的植物杂交。为了确保期望的性状是原始品种的唯一改变，有一个质量控制过程。例如，可以将抗白粉病的豌豆与高产豌豆杂交。植物的后代是下一代。然后，所有后代都与高产亲本杂交，并测试白粉病抗性。重复这个过程很多次，始终回交到高产亲本，并选择具有白粉病抗性的后代。这个过程确保后代在获得白粉病抗性的同时，在很大程度上保留高产亲本的特征。

2. 杂种繁育

有些植物可能能够自行产生肥料，这取决于物种。由此产生的自交系品种，代代相传。它在三个方面很有用，因为它保留了原始的性状：用于研究，作为新的、纯系繁殖的品种，以及作为杂交种的亲本。

3. 杂交育种

在这里，将两个不同的自交系品种杂交，以产生具有稳定性和杂种优势的后代，其生产力远高于任何一个亲本。

4. 诱变育种

世界各地自然发生着基因突变。如果发现并判断这些随机事件是改进，就可以利用它们来开发新品种。或者，可以故意将植物暴露在化学物质或辐射下，以促进突变。

5. 分子标记辅助选择

这与传统的反交、自交和杂交程序有很大不同。育种者通过验证植物从父母那里获得的基因信息来选择植物，而不是根据其外观或生长来选择有吸引力的植物。这消除了育种中的一些不确定性，就像在陌生地方有向导一样。在繁殖植物之前，科学家们可以确定基因是否存在，而不是仅仅假设它存在。

6. 基因工程

建造摩天大楼或桥梁的工程师蓝图中包含了强大的建筑设计。与人类类似，植物也可以进行基因改造以获得期望的特征。由此产生的植物被称为转基因或转基因生物（GMO）。

7. 基因编辑

通过使用CRISPR-Cas9等尖端基因工具，育种者可以直接改变特定基因。它具有极高的精确度，并针对非常特定的植物性状。

植物育种的步骤

自植物育种实践在9000至11000年前首次发展以来，它已经经历了多次修改。使用现代植物育种技术的阶段如下： -

1. 变异的收集

所有育种技术都以变异为基础。第一阶段是收集种质资源，即代表特定作物中每个基因所有潜在等位基因的植物或种子集合。这个集合还包括野生变种和农作物种类的近亲。

2. 评估和亲本选择

为了选择具有必要性状的亲本植物，对种质资源进行评估。我们期望杂交后代将结合这些性状。例如，可以选择高蛋白含量的作物，并与具有更高抗病性的植物杂交。

3. 选定亲本之间的杂交

第三阶段涉及亲本杂交，以产生纯系后代。在这个劳动繁重且耗时的过程中，使用从一株植物转移花粉到另一株植物柱头的传统方法。尽管付出了努力，但在几百个后代中只有一到两个表现出性状的最佳组合。

4. 优良重组体的选择与评价

在评估了开发的后代之后，那些具有适当性状组合的后代会进行自花授粉以获得纯合性。

5. 新品种的测试、出版和商业化

新系在试验田中种植，在那里检查它们的农艺性状，如质量、产量、抗病性等。然后，为了反映全国的各种农业气候区，这些作物在当地的田间种植。在成功测试后，这些作物将提供给公众进行商业销售。

目标

通常，植物的理想形态结合了植物育种者眼中可能的最期望的性状。这些性状可能包括对病虫害的抗性、对高温、土壤盐碱或霜冻的耐受性、合适的大小、形状和成熟期，以及多种通用和特定性状，以促进更好地适应环境、易于种植和处理、更高的产量和更高的质量。植物育种者必须考虑美学吸引力。因此，育种者必须考虑使植物在实现其种植目标方面更有效的多种特征，而不是强调任何一个质量，这是不寻常的。许多重要的作物已经被改良以更好地耐受与全球变暖相关的恶劣天气条件，如干旱或热浪，植物育种是提高全球粮食安全的重要战略。

植物育种在有机农业中的作用

在生产力低下可能部分是由于种植适应性差的品种的情况下，一些有机农业的反对者认为其产量太低，无法作为传统农业的实际替代方案。尽管有机与常规耕作系统之间的生产环境由于其独特的管理实践而大相径错，但人们认为超过95%的有机农业是基于传统采用的品种。有机和传统种植者之间的主要区别在于可用于管理生长环境的投入数量。为了使这个行业蓬勃发展，培育专门针对有机农业特殊需求的品种至关重要。这需要选择以下特征：

• 高效利用水
• 高效利用养分，特别是氮和磷
• 有竞争力的杂草抑制能力
• 耐受机械除草
• 抗病/抗虫性
• 早熟（作为对抗某些压力的防御机制）
• 耐受非生物胁迫（如盐、干旱等）

目前很少有育种项目关注有机农业，而直到最近才关注的项目倾向于使用间接选择（即在常规条件下选择对有机农业至关重要的特征）。然而，由于环境与基因之间的相互作用（见基因-环境相互作用），在每种环境中，一个给定的基因型可能表现出非常不同的行为，因为有机和常规环境之间的差异如此之大。如果这种相互作用足够强，对于有机环境至关重要的属性可能不会在人工环境中出现，导致选择出不适合它的个体。目前，有机育种的支持者提倡对几种农艺性状使用自然选择（即在目标环境中进行选择），以确保识别出最适合的品种。

尽管对转基因生物有限制，但在有机农业中仍有几种传统和现代育种策略可用于作物改良。例如，个体之间的受控杂交允许将期望的遗传多样性自然重组和传递给幼苗。通过使用标记辅助选择作为诊断工具，可以大大加速育种过程，从而更容易识别具有期望性状的后代。这种方法在将抗性基因引入新背景以及将多个抗性基因整合到一个个体中方面已被证明非常有效。不幸的是，许多重要特征，特别是复杂的、受多个基因调控的特征，目前缺乏分子标记。

问题与关注

1. 育种与食品安全

植物育种未来的挑战包括可耕地稀缺、更严酷的耕作环境以及维持粮食安全的需要，这意味着需要能够充分养活世界人口。为了在全球范围内普及，作物必须能够在各种条件下生长，这需要找到像耐旱性这样的问题的解决方案。已经有人提出，植物育种以其选择特定基因和使作物能够以产生期望结果的水平运行的能力，是一种可能导致全球解决方案的过程。本地品种和地方品种的消失，它们具有多样性，并且可能包含对未来气候适应有益的基因，这是农业面临的一个问题。

常规育种有意地减少了基因型之间的异质性和基因型内部的性状可塑性。当存在统一性时，作物无法应对不断变化的气候或其他生物或非生物刺激。

2. 植物育种者权利

植物育种者的权利是一个重要且有争议的话题。商业植物育种者，旨在保护他们的创造物并通过基于知识产权的国家和国际协议收回费用，主导着新品种的开发。相关的各种问题都很复杂。批评者认为，日益严格的规定通过技术和经济压力相结合，极大地限制了人们在区域范围内开发和交易种子的能力，从而减少了生物多样性。育种者权利仍在努力中，例如，试图延长品种的保护期。

用于植物知识产权的定义有时涉及遗传同质性和世代之间的一致外观。这与传统的农艺用途不同，后者将稳定性定义为作物产量或质量随时间和地点的恒定性，而这些法律定义则定义了稳定性。例如，尼泊尔的法规从2020年起只允许发行或注册统一品种。由于许多地方品种和进化植物种群是多态的，它们不符合这些标准。

3. 环境压力

统一且遗传稳定的品种可能无法应对环境变化和全新的压力源。寻找对干旱和低氮水平有抵抗力的作物变种是植物育种者确保作物在这些条件下运行的一种方法。这清楚地表明了植物育种对于农业未来生存的重要性，因为它使种植者能够生产出更具弹性的作物以应对环境压力，从而提高粮食安全。在像冰岛、德国以及欧洲东部等经历严冬的地区，植物育种者正在努力培育对霜冻、持续积雪、霜冻干旱（在霜冻下因风和阳光辐射造成的枯萎）以及冬季土壤高湿度水平的抗性。

4. 漫长的过程

在试图治疗疾病时，重要的是要记住育种不是一蹴而就的。平均而言，从人们首次意识到新的真菌疾病危险到发布一种能抵抗该感染的作物，至少需要十二年时间。

5. 保持特定条件

需要对新开发的植物品种和栽培种进行维护和繁殖。有些植物通过无性繁殖进行繁殖，而有些植物通过有性繁殖进行繁殖。为了保持植物品种结果的完整性，种子传播的栽培种需要严格控制种子供应和生产实践。为了避免收获后来自其他植物的污染或种子混合，需要隔离。隔离植物的常规方法是将其种植在远处，但对于某些作物（通常用于生产F1杂交种），植物被安置在温室或笼子中。

6. 营养价值

当今的经典育种或基因工程植物育种都存在问题，尤其是在粮食作物方面。在这方面最重要的是育种是否会损害营养价值的问题。科学证据表明，尽管该领域尚未进行大量实际研究，但通过偏向植物生长的某些方面，其他方面可能会减缓。发表在《美国营养学院杂志》2004年的一项题为“1950年至1999年43种园艺作物USDA食物成分数据变化”的研究，对1950年和1999年蔬菜的营养分析进行了比较。研究显示，在测量的13种营养素中有6种显著下降，包括蛋白质下降6%，核黄素下降38%。抗坏血酸、铁、磷、钙和其他元素也有所下降。在德克萨斯大学奥斯汀分校生物化学研究所进行的研究得出结论：“我们认为，任何实际下降通常都可以通过1950年至1999年间栽培品种的变化最容易解释，其中产量和营养含量之间可能存在权衡。”

由于提高作物和牧草营养含量的实用方法，植物育种可以帮助确保全球粮食安全。自1960年以来，由于使用了分析化学和瘤胃发酵技术，饲料作物的营养价值得到了提高。这项科学技术使育种者能够快速筛选数千个样本，从而找到了高性能的杂交种。仅在体外干物质消化率（IVDMD）方面提高了1%，一只常见的牛（Bovine Taurus，通常称为肉牛）的日增重报告提高了3.2%。基因改良主要在于体外干物质消化率（IVDMD），其增幅为0.7%-2.5%。这项进步表明，植物育种是为农业的未来做准备并使其能够以更高的水平运行的关键战略。

7. 产量

随着人口的增长，粮食生产的必要性显而易见。为了实现《世界粮食安全宣言》设定的目标，预计到2050年粮食产量必须增长70%。然而，由于农业用地遭到破坏，已无法种植更多作物。通过植物育种，有时可以创造出在不占用更多耕地的情况下提高产量的植物新品种。亚洲人均粮食产量翻倍的事实就证明了这一点。除了使用肥料外，这还通过种植适应当地的优质作物来实现。

印度的杂交作物

1. 水稻和小麦

在20世纪60年代，水稻和小麦的产量都大幅增长。诺曼·E·博劳格（Norman E. Borlaug）培育了矮秆小麦品种。印度生产的两个杂交小麦品种是Sonalika和Kalyan Sona。使用了IR86（国际水稻研究所）和Taichung Native I（来自台湾）的矮秆小麦品种。随后引入了产量更高的矮秆水稻品种Jaya和Ratna。

2. 甘蔗

Officinarum 原产于印度南部，而 Saccharum Barberi 原产于印度北部。Officinarum 茎秆粗大，糖分含量高，但在印度北部不适合生长。为了获得两者的理想性状（糖分含量更高、茎秆更粗、能够在印度北部生长），这两种类型被杂交。

3. 玉米

在印度，成功培育了玉米、高粱和珍珠粟的杂交品种。这些品种产量高且抗旱。

为提高食品质量而进行的植物育种

作物通过生物强化技术种植，以提高维生素、矿物质和脂类的含量。因此，可以解决营养不良问题。育种计划考虑了以下目标：

• 蛋白质的质量和数量
• 油的质量和数量
• 含有维生素
• 营养质量和数量

几种生物强化实例

• 高赖氨酸和色氨酸含量的强化玉米；Atlas 66小麦，蛋白质含量高。
• 添加铁的水稻，铁含量是普通水稻的五倍。
• 菠菜和胡萝卜等蔬菜作物含有更多的维生素和矿物质。
• 添加维生素C的苦瓜。