编译||美国玉米育种：孟山都内部观点（两万字长文）
编辑 | 新锐恒丰研究院
来源 | Butruille et al. 2015. Plant breeding Rev. 39:199-282
编译 | 新锐恒丰研究院
美国玉米育种每一年创造 10 亿美元的附加价值。大部分这些价值来自谷粒产量的遗传获得。本文代表孟山都种业一些专家意见。
缩写及代码
AMMI累加主效应及多重交感 Additive main effects and multiplicative interaction
ANOVA 变方分析 Analysis of variance
APHIS 动植物健康捡测服务 Animal and Plant Health Inspection Service
API 应用程序界面 Application programming interface
CB 商业育种家 Commercial breeder
CGIAR国际农科顾问团 Consulative Group on International Agricultural Research
DH 双单倍体 Doubled haploid
EC 电导 Electric conductivity
EPA 环境保护局 Environmental Protection Agency
FAO 粮农组织 Food and Agriculture Organization
GEB 种质扩增育种家 Germplasm enhancement breeder
GEM 玉米种质扩增 Germplasm enhancement of maize
GGE基因型及基因型与环境交感 Genotype and genotype by environment
GxE 基因型与环境交感 Genotype by environment interaction
GxExM基因，环境及管理的交感 Genotype by environment by management interactions
ICB 杂交隔离区 Isolated crossing block
IPP 智慧财产保护 Intellectual property protection
LDB 自交系开发育种家 Line development breeder
MABC 标记辅助回交 Marker-assisted backcrossing
MLS 多边系统 Multilateral system
MSP 多季计划 Multiseason program
MTA 材料移转协议 Material transfer agreement
NRCS 天然资源保护系统 Natural Resources Conservation Service
OSHA 职业安全及健康管理局 Occupational Safety and Health Administration
PCA 主成分分析 Principal component analysis
PGRFA 粮农使用的植物遗传资源 Plant genetic resources for food and agriculture
PVP 植物品种保护 Plant variety protection
QTL 数量性状位点 quantitative trait loci
RM 相对成熟期 Relative maturity
SMTA 标准材料转移协议 Standard Material Transfer Agreement
TPE 目标群体环境 Target population of environments
USDA 美国农业部 U.S. Department of Agriculture
I. 序言
美国 2012 年农业调查，作物产值是 2,124 亿美元，玉米产值 672 亿美元（32%）。玉米播种面积划分为籽粒玉米（35.4百万公顷），青储玉米（2.9百万公顷），甜玉米（0.3百万公顷）以及爆裂玉米（0.1百万公顷）。玉米的使用包括饲料（39.5%）、酒精（30.4%）、干磨玉米酒醩（9.2%），出口（8.4%）及高果糖糖浆（4.3%）（国家玉米种植协会2013年资料）。
玉米产量增加实际来自遗传改良，从 1930 到 2011 年，估计每年每一公顷增加 87.6 公斤。 同一时期单交种的增产是每年每一公顷增加 92.2 公斤。这也是未来发展趋势。如果美国玉米栽培面积维持 3 千 6 百万公顷，每一公吨玉米价格保持在 75 到 300 美元，则每年遗传获得的产量增益介于 2 亿 5 千万到 10 亿美元之间。种子公司将增益的 15% 到 30%，又投资到玉米育种上面。估计玉米育种每年投资在 5 千万到 3 亿美元之间。这个数字可能低估。符南迪斯（Fernandez-Cornejo）2004 年指出，1984 年美国公私营企业，玉米育种投资是 9 千 6 百万美元。1994 年私营种业玉米育种投资大约是 2 亿美元。未来公私营投资对粮食安全非常重要。未来病虫害抗性提高，以及环境的变化，将是未来农业生产的挑战。因此需要讨论在美国建立大型玉米育种计划的必要性。
II. 育种目标及遗传获得方程式
遗传获得方程式是考虑育种目标的实际方法。就是每一代遗传获得 = 狭义的遗传力×选拔偏差。选拔偏差是亲本世代所有个体表现型的平均数值与选拔亲本本身表现型的平均数值的差异。使用下列方程式有助于分别遗传变方及选拔强度。
每年遗传获得 = 标准选拔偏差×累加遗传变方平方根×狭义遗传力的平方根/每一育种循环的年数。
每一育种循环或平均每一育种计划需要5到10年时间。几个选拔步骤重复使用。确保被选拔材料具备所有必需的多重优良性状，包括高产，抗多种病虫害，杂交种子生产性良好，抗倒伏及青折，以及其他优良性状。因此，标准选拔偏差，累加遗传变方平方根，及狭义遗传力的平方根是每一育种群体，自交系及杂交组合所发生一切的简化的总结。
表1. 个体选拔比例及标准选拔偏差（Lynch and Walsh 1998）
选拔百分比 i = standardselection differential
20 1.40
10 1.75
5 2.06
2 2.42
1 2.67
0.5 2.89
0.2 3.17
0.1 3.37
0.01 3.96
0.001 4.48
0.0001 4.95
选拔百分比及标准选拔偏差不是负向倍数增加，而像几何级数增加。增加选拔强度可以有效增加遗传获得，缩短育种年限。遗传获得与育种年限是负相关。如果一切条件相同，减少一半育种时间，等于增加一倍遗传获得。分子标记技术及自动化能够影响选拔强度及时间，而多季多代育种及单倍体育种方法，可显著减少育种时间。
遗传差异的重要性，表现在两方面，遗传变方及遗传力的大小。当讨论到种质，遗传资源，性状，包括对病菌的反应，单倍体及分子标记的使用时，它是一个显著的因素。非遗传变方部分，则受许多育种步骤及田间作业影响。如果要保持高遗传力，适当的试验设计，统计分析，基因环境交感计算，以及减少误差，都很重要。
除了满足不同生育带高产目标之外，综合农艺性状要能满足应付目标环境及市场生物性及非生物性的挑战。玉米育种家现在重视的几个主题是：
1）群体密度是 1930 年代两倍。未来玉米密度还会持续增加。某些私营育种家选育更高密度的玉米，以及推广新的种植及收获技术（Morrell 2014）。
2）玉米带的一些地区，继续使用作物轮作制度，包括西部灌溉区，衣阿华东北部及伊利诺西北部。使用不翻耕及最少翻耕作业。育种家应该留意这些地区病害的增加，过多作物残留物，以及氮肥含量（Gentry et al.,2013）。
3）传统的概念认为耐旱是解决干旱多发地区缺水问题，其实也是帮助解决灌溉地区节省水资源的方法。未来灌溉地区水分供应逐渐减少，因此耐旱育种很重要。
4）霉菌病毒的增加。某些穗腐由高温，干旱引起。未来环境变化，可能严重增加美国南方玉米霉菌病毒的发生（Wu et al. 2011）。
5）美国某些州立法限制流入密西西比河盆地氮肥的含量。将影响玉米作物如何管理以及玉米氮肥使用效率高的玉米育种目标。
6）近年发现美国最北部玉米种植面积增加，必需加强早熟玉米杂交种的选育。
III. 人员及生涯 People and Career
玉米育种的传承，除公立大学培训育种家之外，还需要鼓励有兴趣的人从事育种。现在美国公立大学缺少经费。私人种业的介入，可以提供育种学生实习及短期工作。以及公私合作，提供公立大学科研经费，奖学金及助学金等。强化育种研究生的训练及教育。比如孟山都提供 1 千 3 百万美元给水稻及小麦育种计划。另外几百万用做奖学金，专业研究，实习，及客座教授，以及超过 80 位植物育种研究生。公私合作的玉米种质扩增计划等。
大型种业职务的规定很专业，但是你并不是一辈子只做一件事。孟山都使用的职务名称包括自交系开发育种家（LDB或Line Development Breeder），商业育种家（CB或Commercial Breeder），种质育种家（Germplasm Breeder），性状导入育种家（TraitIntrogression Breeder），发现育种家（Discovery Breeder），统计遗传学家（Statistical Geneticist）等，作为育种计划不同权责分工依据。除此之外，还有许多其他职务，可以让你发挥个人才能，包括科研（Research），协调（Coordination），制造（Manufacturing），市场（Marketing）及管理（Management）等。
自交系开发育种家选择最佳目标市场及环境需要的材料来组建群体。他要在限定时间之内，选育出特殊成熟期及地理位置的高产自交系。比如选育 100天自交系，育种家依据经验，使用电脑资讯，可以找出 95 天到 105 天的最佳材料，组建或发现最好群体。最成功的育种家是那些了解种质优势，市场需要，以及目标育种生育环境长期杂种优势背景的适应性。
种质扩增育种家，协助自交系开发育种家，将遗传变异导入自交系遗传通道里面。他们是比较长期的商业化育种改良。他们将遗传变异导入全球不同成熟期生育带。这些新的等位基因可以增加遗传的歧异性，增加产量遗传获得的速率，以及改良特定性，比如抗病。
商业育种家在新品种经过第一及第二年广泛测试之后，开始评价新品种的商业价值，选拔最优产品推广到市场。商业育种家要选择最好的测试品种，鉴定最佳杂交组合。通常在不同环境条件（土壤类型，作物轮作，及灌溉）及管理条件下（种植密度，肥料使用量及逆境程度，来评估测试杂交种的适应性，高产及稳产特性表现。商业化育种家与下流功能（生产，市场及销售）紧密衔接，并不断直接与客户交流，征求他们的意见，帮助他们把不同的商业产品放在最适合的地区。商业育种家重要性是确定市场需要，并依据需要来了解现有产品的缺点，以及设计改良的产品。帮助自交系开发育种家及种质扩增育种家修正育种目标。同时，商业育种家在新品种上市之后，负责培训农艺家及销售员。并保证足量种子的繁殖供应。商业育种家在地区的责任包括协调杂交种的评估（生产计划，选择对照，测试脚迹）以及晋级评估等。
副研究员及助理研究员与育种家紧密合作来完成许多必要的工作。他们协助种子加工，苗圃设计，产量测试，保管仓储，装袋，建立苗圃小区，完成种子订单，带领授粉及收获团队，田间记录，更新育种记录并输入资料库，以及管理产量测试结果。这些员工必需熟悉现有作业规定，以及所有各类标准作业程序。部分负责资料获取及管理的人员，经常需要提供软件开发及测试服务，他们负责作业，服务及研发科研仪器。他们负责实验站的总体安全。良好训练的专业人才，引领每日的专利及创新的工作流程发明。副研究员及助理研究员的学历是学士或硕士。
植物育种需要多领域协调合作。植物生物学家，病理家，土壤学家，统计学家，电脑科学家，资讯专家，模式学家，实验室分析师，安全专家，自动控制工程师，专利科学家，以及设备专家，都是专家，都可以在植物育种领域开花结果。一个育种家及几个助理，独立作业的育种站，已经不能满足现在育种需要而淘汰。大型种业育种计划则包含所有不同专业技能员工的参与。每一个员工必须紧密协调合作，以确保增加遗传的获得。
多领域协调合作结果是产生一些不是育种家而有能力领导的领导阶层，这些人的背景可能是生物技术，资讯，技能，以及生产。同样，育种家也有可能做其他非传统育种的职位。
IV.安全，规则及规定
植物育种的工作安全很重要。工作安全影响效率，成本及员工健康。总记录的事故率（Total Recordable Accident Rate或TRR）是职业健康安全管理局记录的事故，乘 20 万，除总工时数。计算依据每一员工，每年工作 50星期，每一星期 40 小时，合计每一员工每年工作 2,000 小时。2012 年美国私营种业平均事故是 3.4 人次，但是作物生产事故则为 5.3 人次。表示每100 个农业工作员工，每年工作 2,000 小时，就有 5.3人 受到紧急处理以上的伤害。如果重视安全训练及执行，事故发生可以减低到 1/5 或零事故。过去 10 年，孟山都事故发生都在 1 以下。其他大型私营种业的情况相同。比如巴斯夫数百农业员工，好几年都是 0 事故。育种作业会发生一些事故，比如滑倒，绊倒，跌倒，用力过度，高温，太阳灼伤，对花粉过敏反应，及动物叮咬，重复动作，危险动作，错误使用工具，机械事故，以及农业化学事故等。每年严格并坚决执行安全训练及安全防护的种业，发生严重安全事故的机率很低。每一员工必需学习一切安全操作程序，使用适当的个人防护设备，以及降低暴露在噪音，高温，危险化学品，以及其他工作场地的危险物品的危害。安全需要所有员工的合作，协调及共同努力。
美国环境保护局规定，使用农业化学药剂，需要特殊训练及小心。当田间员工正在工作时，喷洒化学药剂，可能会伤害到工作员工。因此在喷洒化学药剂之前，协调育种单位，确定最佳喷药时间，并发出喷药时间的通知，让所有工作人员在喷药时间离开喷药地区，避免药害。玉米育种可能会让员工接触某些特殊药剂，比如染色体加倍的秋水仙精的毒性，以及暴露在各种病毒接种的田间等，必需将对员工的接触及危害减少到最小程度。病害接种苗圃及转基因测试苗圃，以及收集，繁殖及运输材料，可能需要特殊监管及核准。尤其是病原菌及传染性昆虫从外国引进的危害。因此种子的移动，需要检验及测试。美国由美国农业部，动植物健康检验服务负责（APHIS）。
通常转基因种子移动的要求更严格，以符合法规条件及减少种业灾难。不同转基因事件适用的限制不同。各国对转基因材料的经手，运输，田间释放，以及监管的标准不同。不论如何，私营种业都应该非常小心并依据标准操作程序作业。公司要有具体操作规范，作业及名词说明，最佳操作流程，品质保证，以保障安全及最大育种效益。
V. 智慧财产 Intelletual Property
1）背景 许多玉米育种活动有关的专利发明，不包括种质，比如仪器，程序及方法等。私营种业对自己发明的智慧财产（可专利发明，新发明，不明显以及有用），应该要加以保护，包括专利等。有效而明确的专利内容，提供专利申请的独占性，防止其他单位使用，以及收取专利使用费等。玉米育种研发的种质资源或自交系，则需专利或品种保护。自交系的保护是一个一直争议的问题。有些人赞成，有些人反对。反对的人认为自交系一般智慧财产保护及特定专利保护，限制农民，育种家及育种的发展。太多独占性权益控制，切断种质交流使用。“促进开放种子资源 Open Source Seed Initiative”最近在美国成立。希望种子资源能够自由使用。
大多数玉米商业育种家认为天然存在的遗传资产，应该大家都可以用来作为创新发明的材料。大多数投资人则认为需要严格的智慧财产及专利保护，以防止伪造及商业间谍。大部分育种家相信，保护智慧财产权，可以保护投资人的利润，以及有利增加遗传的获得。意见相互冲突。
2）智慧财产保护类型 美国玉米育种主要投资来自销售私有杂交种子。保护美国玉米私有智慧财产权有 4 个方法：商业机密，植物品种保护认证，实用专利，以及协议，比如材料转让协议（Trade secret,plant variety protection certificate, utility patents, and contracts such asmaterial transfer agreements ）。
早期美国玉米种业，使用严格保密杂交种及自交亲本遗传组成来达到商业机密的保护。现在分子技术及双单倍体等技术，很容易知道杂交种亲本组成。公司已经不能保障杂交种上市之后，不会被其他公司很快仿制。杂交种果皮是父本组织，胚乳是杂交组织。分析果皮及胚乳遗传组成，就可以肯定父本及亲本遗传组成。竞争对手也可以从一代购买的种子里面，找到自交污染母本植株，只要自交，就可以非法获得母本。
美国是 1970 年建立植物品种保护法规，1994 年增加一些附加条款。由美国农业部负责。虽然植物品种保护法不断修正，执行效率还是比专利差。申请自交系或杂交种的植物品种保护，需要提供田间资料数据，证明材料的独特性，一致性，及稳定性（distinct, uniform and stable）。虽然衍生自交系具有植物品种保护权，但是这个权利由亲本植物品种保的护权利包含。玉米植物品种保护权是 20 年。过期之后，国家植物种子系统自动将保留种子公开发放。育种家没有权利阻止农民保留植物品种保护的种子，作为下一代种植的种子。育种家可以购买植物品种保护自交系或杂交种后裔，可以作为育种材料，依据育种家列外法规。由于这个原因，竞争对手可以使用现代科技手段，包括分子标记，双单倍体，多季作业等，很快赶上。让投资者的育种优势及利润很快消失。
专利保护并不是每一个国家都有,申请条件差异很大。美国专利的两种条件，一是任何人类在太阳下制作的产品，以及在植物品种保护条件下，合乎实用专利保护条件的有性生殖植株。可以专利的基本要求是创新，发明性，研发过程证据，有用性，以及可重复的如何发明步骤。20 年专利到期后，专利材料散发给大众，公开使用。没有育种家可以列外。美国农业部 2013 年度，寄出 16,687 袋玉米材料，其中 7,977（47.8%）份是专利保护及智慧财产保护过期玉米种子。从 2009 年到 2013 年美国农业部寄出 86,904 份玉米材料，其中 28,005（32.2%）份是专利保护及智慧财产保护过期玉米种子。这些种子具有较高育种价值，全世界玉米育种家都可以作为育种材料使用。
材料转移协议及契约用于两个种业之间育种资源使用的转移。在协议之下，商业化，或商业化之前，实验种，及育种资源，都可以以一定价格移转。公司之间可以签订自交系及杂交种种质使用权（Licensing）。公立大学种质要在签订材料转移协议及支付一定费用后，才可使用。
3）智慧财产保护及支持育种效应的替代方法 不同国家及不同作物使用不同机制来将遗传增益再次投入。 种子公司销售的部分利润，伴随遗传获得及育种投资，可以直接返还客户。主要适用于高智慧财产保护系统，以及农民很少留种作为下一代播种的种子。美国玉米属于这一类型。同时允许一个公司转让种质使用权给另外一个公司。契约育种适用于少数大型种植户，依据这些种植户的规格要求来选育满足要求的品种。这些主要是蔬菜，花卉及果树育种。某些大型下流加工厂（罐头工业，点心食品加工，早餐谷物，以及制酒业），具有自己的育种计划或与公立大学合作研发，与农民生产者签约来生产自己研发的品种。某些小型谷物，使用谷物检验及直接使用权方法，农民直接付款给育种家，通常农民会保留种子，作为下一季播种的种子。这个时候，农民还是需要付使用费给育种家。这就要看农民诚实的程度。如果智慧财产保护差，农民留种而不付款的比例高，则育种需要国家及非营利机构的介入及支持。农民与育种家合伙育种是另外一个分担成本，共享利润的品种研发途径。
4）智慧财产保护的强制执行 有关种质智慧财产权的强制执行，通常使用DNA 分子技术来鉴定侵权行为（Infringement）。最常见的侵权是非法使用智慧财产保护自交系，生产遗传组成完全一样的杂交种。如果只侵权使用一个自交系亲本，就比较困难来决定是否侵权。这时就要使用比较复杂的分子技术来定义两个亲本遗传架构，决定是否侵权。可以分析果皮（母本组织）及胚乳（2套母本DNA及一套父本DNA）遗传组成，确定使用亲本的遗传组成或使用的自交系亲本。
非法使用智慧财产保护自交系做为育种计划的基础材料比较难追踪。现在高密度指纹及全基因组分析的价格已经很低，可以使用这些现代技术来鉴定专利自交系携带的特殊突变基因，以及特殊重组保留的基因组合片段。这些证据在育种过程中发生的几率很低，因此不能用运气或巧合来解释这样相同的育种结果。只能证明是侵权。所以现在只要使用几个特殊基因及基因片段，就能确认侵权行为。
同样的种子，使用不同的品牌或包装，这是盗窃行为。必需打击。
VI. 种质
1）玉米遗传差异的背景 分子遗传及考古学的进展，让我们了解玉米起源，驯化，早期历史，及栽培变迁。玉米是 8,700 年前，发源于墨西哥南部地区。经过不断散布及地区环境的筛选，导致现在玉米遗传的不同差异。现在玉米全基因组分析已经完成，玉米基因组由 35,000 个遗传基因组成。
现在北美洲商业化使用的种质资源，只代表玉米基因库的一小部分。玉米品种估计有 250-300 个。从一个品种的 5 个天然授粉品种，衍生出大部分现在美国的玉米种质（Troyer，2004）。其中有 7 个自交系，B73, LH82, LH123, PH207, PH595, PHG39,及 Mo17,是大部分商业自交系的原始亲本。所以现代玉米遗传种质基础，非常狭窄。
现在育种及农业发展逐渐在失去遗传变异性。由于这个原因，洛克菲勒基金会赞助研究玉米遗传差异，出版“玉米品种 Races of Maize”一书。收集全世界野生亲属种质，老的玉米品种，天然授粉品种，以及育种种质。现在分子分析及生物信息分析技术的成熟，可以使用高通量及精准表现型技术，探讨基因差异，并可以将创新及需要的等位基因，有效导入自交系的遗传背景里面。可能有必要建立一个全球的表现型网络，来对每一个目标性状，尤其是生物性及非生物性耐性及营养品质，进行比较及有效定义及使用。
农民考虑的问题是生产的风险。农民需要分散成熟期及选拔可以应付不同恶劣环境条件，具有稳产特性杂交种。市场上领先杂交种，不但销售快，而且推广面积大，有效形成狭窄遗传种质独占及增大生产风险。所以如果杂交种本身性状不良，将使种业及农民在不良生育环境条件下，面对灾难性损失。现代育种计划依据市场特殊及差异的需要，选育满足市场并具有高度遗传获得潜能的品种。育种家了解遗传差异对长期育种危机管理的重要。
2）育种计划可用的玉米种质来源 私营种业主要使用自己私有的种质资源作为育种材料。通常私营种业过去及现在使用的最好材料，已经充分足够组建丰富的优良遗传基因库。育种家可以从那里面，不断选育出更优良的材料。种业在世界各地收集的材料，不同成熟期，以及不同生育地区及环境的优良材料，都可以用来丰富遗传的差异性。种质资源的知识及经验，可以帮助我们发现一些有用的性状。美国种质资源可以在外国直接使用，也可以在外国环境选拔之后，拿回美国来再选拔。最近孟山都捐赠给非洲有效使用水分计划 600 份私有自交系。目的是促进非洲玉米育种发展。
如果种业品种已经没有竞争力时，就是需要补充外来遗传差异的时候。作物生产不断面临新的挑战，比如面对一种新的病害，包括粗缩病，或过去没有的生产问题，就必须要从外来种质资源，找到解决问题的新基因，更新产品，增加产量，以及提高产品市场竞争力。
▲来源：徐云碧老师微信朋友圈
育种家可以使用的外来遗传变异很多。比如自己公司没有，只有某家公司有。可以签订材料转让协议，育种家使用杂交种的权利，以及签订使用权方式获得。美国玉米市场，过去曾经使用过育种家权利，目前很少。原因是专利以及使用杂交种，破坏杂种优势模式的问题，对长期种质资源的遗传获得不利。比如迪卡自交系 3IIH6 来自先锋杂交种 3737 自交后裔选系。使用协议（Licensing Agreement）是机密，到底先支付多少现金，以及每次使用费如何征收，每个协议不同。可能还要考虑到一个自交系所生产杂交种市场的占有率及寿命预估来决定。直接使用专利自交系做材料选育的新自交系，也要支付使用费。直到冲淡到某一程度（12.5%或25%），也就是回交 1 代或 2 代的材料。几个不同公司使用同一个专利自交系选育出来的新自交系，彼此间可能配合力良好。
外来种质资源，包括温带，亚热带及热带材料，都可能提供有益的特殊变异。热带低纬度材料对温带适应性很差，很难选拔成功。必需使用修改的育种方法。光期敏感，秆及根倒伏，植株太高，苞叶太紧密，因此子粒脱水慢，以及很难与温带杂种优势群组配等问题，使得热带种质很难利用。然而，热带种质的一些优良特性，还是可以成功导入温带种质。
美国玉米种业不断整合。小型地方性育种计划受资源及财务限制，很难研发具有竞争性的新种质及提供特殊转基因性状给市场。孟山都，杜邦，先正达及陶氏化学，2002 年占有 72% 美国玉米种子市场，2012 年增加为 80%市场占有率。市场的变化，让很多中小型公司开始以授权使用杂交种以及同时授权使用转基因的方式生存。至于育种家使用种质的限制，变得非常严格。为了平衡种质短缺，美国农业部玉米种质扩增计划 1993 年开始，使用种业优良私有自交系与外来种质杂交第二代改良材料，发放给公私营单位，达到扩增外来种质推广使用目的。这些发放的种质，任何人都可索取。
其他来源包括基因银行的公有材料及体细胞外繁殖材料，这些可能是天然授粉品种，遗传材料，公有自交系，专利及品种保护过期自交系及杂交种。对这些材料的使用，需要特殊育种考虑及策略，以成功导入育种计划之中。了解这些材料，以及好的有用资讯，有利于这些材料的使用。比较常用的特性包括耐逆性，一般适应力以及抗病性。
3）使用全球没有束缚的公开种质的现有限制
A. 全球不一致的供给量
影响种质获得的三个因素是：供给量，成本，管制条件。某些地区由于繁殖失败等原因，没有种子提供。或是基于国家法律及政策，不能提供。以及不信任等其他问题，导致资源供应问题复杂。
B.国际粮农植物遗传资源条约
这个条约由联合国国际粮农组织发起，目的是为了保持及可持续发展使用世界粮农植物遗传资源（2009 年国际条约）。目的是促进世界各国公平合理分享资源利益。玉米是 64 种作物之一。条约 2004 年正式执行。共计 135 个国家参与。目前，阿根廷，中国，墨西哥，南非及美国是非成员国。
C. 多边系统使用及利益分享
多边系统使用建立在一些原则之上：1）没有一个国家种质资源可以自我满足。种质是所有人类共同财产。2）所有成员都可以免费使用这些种质资源作为科研及育种。组建新材料。3）签约国家愿意提供他们独有的材料，与大家分享，也希望其他国家做相同承诺。所有多边系统使用材料，需要签订标准材料转移协议。4）直接收取或自愿给付的金钱由粮农组织统一管理，作为支持科研或直接返还给开发中国家农民。许多国家认为双边管理任务比较重，偏向多边管理。5）必须包括所有种业粮农作物。结果是64种作物，包括玉米。到目前为止，计划进行迟缓。
D. 标准材料转移协议
多边系统对所有种质的转让，使用标准材料转让协议。这样做的目的是简化管理，低成本及便利保存。然而也有一些问题。尤其是育种家使用这些材料选育出受到专利及其他合法保障的商业产品的权益挑战。
使用多边系统材料研发的商业产品被视为受到限制，特别是在受到专利及其他机制保护，并在市场公开销售之后，必需支付一定的使用费。不论原始使用材料是否仍然免费供应。目前，植物品种保护及育种家的权益不受限制，基于育种家的免责。然而育种家必需在商业育种计划，清楚记录所有衍生自多边系统材料的专利发明，符合标准材料转让协议的要求。这是基于遗传资源是一个遗传功能单元的定义。必需能够追踪每一个基因在商业育种使用的轨迹。另外，支付的费用太高，变成无利可图。由于这些原因，现在商业育种公司尽量避免使用这些材料，以避免未来不必要的麻烦。因此大部分重要的粮农植物遗传资源，不能被私营种业使用。
E.开放来源种子
开放来源种子是现在影响遗传材料使用的方向。理念是公开所有品种/自交系，让大家都可以用来作为育种材料，不受限制，选育更好的自交系。好处是可以促进遗传资源交流及加速品种改良。缺点是私营种业投资人没有得到应有投资效益的保障。如果不能限制使用，就不可能保障投资效益。不知如何平衡使用。Shands 2004年的信息有一定道理：有正当理由鼓励各国提供广泛的遗传资源的使用，包括保护遗传资源的消失，改善农业经济，以及促进资源防护等。希望所有国家以更开放的态度来面对种质的问题。
VII. 病害
植物抗病品种是最有效的疾病控制。本身具有抗病能力，可以消除或减少疾病控制成本。不输其他控制方法，并且很容易导入病害管理及植物生产计划。
北美洲玉米生育环境良好，植株健康。很少有大面积自然病害发生，影响生产及玉米价格。多种病害可能局部发生，估计每年影响 2% 到 15% 玉米产值。这些局部性多种病害发生，影响个体农户。选择抗病品种可以有效防止疾病蔓延。
由于病害不是严重问题，因此大多数北美洲玉米品种的抗病性不是很强。现在的抗病性主要是多年抗病表现型选拔的结果，很多抗病的遗传机制已经了解。但是也有很多抗病性，并没有抗病特殊遗传机制资料。比如，琼斯（D F Jones）在 1918 年发表双交种杂种优势一年之后，记录康尼迪克试验站材料，自交次数愈多，感黑穗病（smut）植株愈多。10 年之后，1925 年Immer及Christensen发现黑穗病只由几个遗传因子控制，使用杂交可以组合抗病因子，产生抗病系统。1942 年，Stringfield及Bowman 注意到玉米杂交种抗黑穗病能力比天然授粉品种强。今天，几乎 100 年之后，即使应用数量性状定位方法，我们还是不很清楚黑穗病的遗传机制。我们今天虽然并不了解黑穗病遗传机制，但是使用表现型选拔方法，选拔抗病植株，淘汰感病植株，在不同环境条件下，我们选拔出抗黑穗病的多重保护性状的材料。
玉米抗病性包括许多寄主-病菌交互作用。抗病反应的差异有程度及类型不同。抗病表现型可以抑制病菌的生长，生殖及病害的发生。抗病植株的症状比感病植株轻微。感病表现性不能控制病菌的生长，生殖及病害的发生，症状严重。不同玉米种质资源，对病害反应，具有不同程度的表现。抗病及感病代表病害表现的两个极端。某些情况，感病及抗病表现型完全不同。抗病通常可以归类为简单遗传性状控制，然而连续变异表现多基因抗病性。单一基因的抗病性比较容易选拔。使用抗病群体选拔单一生理小种抗病性有效，但是当生理小钟变异增多时，选拔抗病的效率降低。
多基因的抗性是每一个抗病基因对病害表现型，都有微效影响。总体抗病效果比较好。不同多基因抗病材料所携带的抗病基因数量及类型不同，可以使用杂交方法累计聚合。但是因为效果不明显，即使应用分子方法也很难确认这些基因数量及位置。如果再加入遗传环境的交互影响，更为困难。
抗病性可能是完全显性，部分显性，或累加基因效果。杂种优势对某些玉米疾病具有一定抗性。少数抗病性来自细胞质。许多抗病及感病名词，并不代表抗病的遗传机制。
玉米育种家及病理学家在面对这么多可以选择的抗病类型中，如何决定使用那些抗性？当然，简单，显性遗传抗性要比多基因抗性容易在育种计划中掌控，而且抗性效果明显。然而育种材料很少能够含盖病菌群体所有抗性遗传变异，以及遗传与环境交感的抗性变异效果。比如 1960 及 1970 年代使用的抗北方大斑病的 Ht1 基因，导致 Ht1 致死病毒小种 1 在群体的比率从1974 年以前的 1% 比率，很快增加到1990年的 85%（Ferguson and Carson 2007）。同理，使用简单遗传的抗性基因，比如抗一般锈病的 Rp基因是从病原菌快速选拔获得，对于某些自交系或特殊种质的效果缓慢。相反，所有携带Hm1及Hm2基因的玉米杂交种，对北方玉米叶斑病（Northern corn leaf spot）抵抗性都好，因为病毒特性稳定，没有遗传变异，产生新病毒。因此，对于每一种病毒的情况，不论是单基因或多基因效果，以及抗病的持久性，都需要以各案方式来分别考虑。育种家及病理学家依据合理考虑抗性年限，将病毒导入自交系种质资源。
玉米病害有 100 多种，育种家及病理学家需要决定那些是必要导入的抗性，那些不需要考虑。玉米育种家的问题是不能确定 10 年 20 年以后，那些病害成为严重问题。特别是病害在玉米栽培技术改变，环境及气候改变，以及使用不同种质情况下发病频率及重要性变化。比如现在美国玉米带的 3 个主要病害，穗腐，灰叶斑病及高斯萎凋病（Goss’s Wilt）,在 40 年前很少，没有问题。1970 年代早期，很少育种计划留意这 3 种病害。现在所有商业育种计划，都要筛选这 3 种病害的抗性。玉米操作技术不断改变，病害发生情况也不断变化。比如玉米生产作业，从黄豆-玉米轮作改变为玉米连作，以及最小程度翻耕，增加玉米秸秆残留物质，作为病害生存的场所，以及增加攻击玉米的土壤线虫数量。
除了很难预测未来病害的发生之外，大型育种计划很难选拔在某一特定地区比较严重，而在其他生育环境没有问题的病害选拔。有时一个杂交种在大部分地区种植都不会发生某种病害，但是在有限特定地区种植，就会发生病害灾难。仔细小心的商业化杂交种测试以及对地区性病害的注意了解，以及种质对病害的反应知识，可以避免不必要的病害灾难。一般杂交种对病害的抗性，中抗以上就好。但是在病害严重地区，必须高抗品种。
监测现有病害发生，以及鉴定特别适合病害发生的地理环境区域，可以定义病害发生的每一个高风险地区及高风险环境条件。监测新的病害或新的生理小种危害情况则比较困难。玉米病菌可以从少量逐渐增大为新的病害，或是从其他国家引进的病害，或是不会侵袭玉米的病菌，开始侵袭玉米等。需要小心处理在其他国家严重发生的病害，避免病害蔓延。美国农业部动植物健康检查服务（APHIS）列出玉米的霜霉菌（Downy Mildew）,及晚腐菌（Late-wilt fungus）是危害健康及安全的两种病菌。必需限制输入。对于可能输入北美洲的病害，可以藉全球玉米测试来筛选抗病种质。必需尽早发现这些可能进入美国的病害，并对它们可能导致的危害做正确评估，以及找到抗性种质。农艺家，作物监测员，种植者，以及大部分时间在商业育种田工作的人，最有可能发现新病害。
玉米杂交种种植在多环境的抗病选拔，可以维持产量的稳定性。然而抗病性选拔不是产量遗传获得的原因。因此需要准确计算病害对产量的损害，以及需要多大程度的抗病性来保护产量。此外，还有许多其他控制疾病的方法，比如叶面喷洒杀虫药剂等。如果是细菌或病毒感染，其他方法不能控制时，则抗病性就是唯一解决问题的实际方法。
成功的玉米抗病育种是找到抗原并使用有效方法将抗病性导入私有自交系。许多抗病数量性状基因位置已经确认聚集在某一染色体位置。新的分子遗传技术，比如标记辅助育种以及基因组选拔，可以显然改变抗病育种方法，然而田间精确的病害田间评审，则无法替代。大多数情况，需要可靠的病害接种来反应植株的实际抗性，并减少可能的误差变异。病害育种方法的改善，可以强化高通量分析的精确度，尤其对那些需要劳力密集的表现性病害，比如秆腐及穗腐。
VIII. 标记技术
育种过程中，使用分子标记作为品质确认手段被认为是植物育种的 DNA 技术应用而已。最早大规模使用分子技术时，发现不同育种计划之间，对确保所产生材料的遗传纯合程度及正确性的差异很大。分子标记可以准确找到可能发生错误地方，以及那一个苗圃或种子掌握步骤应该避免或修改，可以帮助探测污染种子或错误种子来源，在这些种子作为育种亲本，广泛使用之前，或混合作为生产种子使用。正确使用以标记为基础的品质保证以及因此导致的作业程序改变，可以帮助错误发生的几率从 10% 以上，减少为 1% 或更少，以及在这些材料进入育种管道之前，清除这些垃圾材料。品质保证的观念，应该实际扩展至智慧财产保护（IPP或 Intellectual Property Protection）上面。
▲来源：徐云碧老师微信朋友圈
标记辅助的回交是植物育种另外一个非常成功的分子标记应用。特别是将一个商业化转基因转移到商业化管道的自交系上面。某些研究考虑使用多重途径的回交策略，包括使用 DH 方法，以及多个转基因堆积模式。这些方法适用于转基因，也适用于天然的数量性状基因。这两种性状的差别是使用转基因所产生的标记辅助回交后裔，如果由于管制或自由作业等原因，商业决策必需终止自交系的向前育种（Forward Breeding），则这些转换的自交系将不能在育种计划中继续使用。天然存在的数量性状，鉴定育种效果之后，首先是使用标记辅助回交方法，将这些在基因库比例微小的数量性状基因导入许多自交系。这些转换的自交系在育种计划中，可以作为亲本，经过再次循环，成为向前育种的材料。这样可以限制数量性状的快速扩散。如果某些必要的数量性状在群体比例很高，直接使用为向前育种的材料就好。现在大型种业使用高通量，非破坏性切下小块种子组织取样方法来鉴定种子的基因型。使得大规模的标记辅助回交育种成为可能，以及用一个转基因替换自交系的现有转基因，就是性状互换（Trait Swap），以及同时将好几个转基因或好几个天然性状同时导入。
使用天然性状的标记辅助回交育种的先决条件是鉴定及性状定义。这是一个依据市场需要及鉴定性状来源的多层次，多年的过程。发现性状之后，经复合分离群体数量遗传位置定位，经由关联分析或其他可能机会。定义主效数量遗传基因的精确位置（Fine Mapping）及功效。证实这些基因在目标自交系种质的普遍效果，可以单独或在组合情况下，符合降低生产的需要。同时需要确认这些数量性状位置没有连锁的不良基因效果或多效性，以及没有智慧财产权问题。所有这些都是使用天然性状策略的必要条件。
分子标记方法可以应用在多基因控制的遗传性状。目前多基因性状分析的最佳途径是全基因组选拔。对每一性状，使用适当的杂交设计，产生准确及精确的无偏估计是关键，决定全基因组在何时及如何应用在育种管道中。分子标记辅助的轮回选拔可以帮助固定许多有用的数量性状基因，衍生的材料可以做全基因组分析材料。
IX. 性状
商业玉米育种最重要的性状就是产量，产量及产量。虽然正确，但是育种家还是要评估自交系及杂交种的很多其他特性。整个生育过程中，比如幼苗活力，早期及晚期植株数量，脆折，散粉及花丝露出生育热单元，植株及果穗高度，根倒伏及秆倒伏植株数量，病害程度测定。收获时的子粒产量，试重，及子粒含水量需要评估大部分这些性状，可以从好的表现型资料，以及基因组育种的估计价值等种质累积的遗传及选拔知识获得。
遗传工程技术已经应用在抗虫，耐旱，及抗杀草剂。技术的推广给农民应用，需要一定过程。天然性状可以使用生技工程的研发管道流程，包括发现，效率及使用过程。
有几个抗杀草剂性状已经商业化。孟山都遗传工程的抗杀草剂性状是农达(Roundup Ready)，表现出对草甘膦（Glyphosate）的抗性53 59127 53 31671 0 0 7188 0 0:00:08 0:00:04 0:00:04 7188rong>。1998 年开始在美国商业化。拜耳作物科学 1996 年，使用 LibertyLink 名称推广遗传工程获得的抗草胺膦（Glufosinate）杀草剂。使用组织培养，不论是否使用EMS化学诱变剂，可以获得玉米抗杀草剂植株。包括抗咪唑啉酮（Imidazolinone）杀虫剂，以及抗稀禾定（Sethoxydim）杀虫剂。现在已经发现具有抗性的杂草，因此需要设计新的除草策略，包括多种转基因的堆积，或是研发新类型的除草剂抗性基因（比如2,4-D,dicamba,及FOPS）.
虫害可严重影响玉米产量，已经研发的抗虫生技性狀可以抵抗昆蟲的侵襲。危害玉米地面以上部分的主要昆蟲是玉米螟（Corn Borer）及西南玉米螟（SW Corn Borer），玉米穗虫（Corn Earworm），粘虫（Fall Armyworm），西方豆类地老虎（Western Bean Cutworm），及黑色地老虎（Black Cutworm）。主要的玉米地下昆虫是北方，西方及墨西哥玉米根虫（Northern, Western and Mexican ）。根虫每年对玉米产量的损害严重。某些葛兰姆阳式菌（Bt或Bacillus thuringiensis）所携带的蛋白质结晶,目标昆虫吃了后会被杀死，提供保护能力。这些产生毒蛋白的 Bt 基因，可以借生物技术转移到商业化杂交种里面,提供对昆虫危害的防护。这些Bt蛋白质，不但具有抗虫效果，同时间接增加玉米产量及产量的稳定性。以及减少种子损害及降低黴菌毒素的含量。同样，昆虫現在也逐渐累积对毒蛋白的抗性。使用多种不同毒蛋白的堆积以及轮换的管理策略將是抗虫的替代方法。
孟山都 2012 年开始商业化 Genuity DroughtGard。这是具有抗旱，抗虫及抗杀草剂多效应的转基因产品。这些商业化杂交种的育种概念是在缺水环境，可以增强产量潜能，而在水分正常情况下，可以生产等量的产量。天然的耐旱性状表现多基因的遗传变异，与转基因结合可以调节产出，以及增加产量。
虽然抗病的注意力集中在转基因研究，许多遗传学家还是希望了解天然抗病数量及质量遗传的特性及使用。应用分子标记可以加速单一抗病基因的传统回交转换。并可以应用在多基因转换的育种管道上面。这些技术已经应用在玉米育种上面来增强对秆腐，穗腐，灰叶斑病等。要仔细计算成本-效益，同时不要小看抗病性状的复杂性。
某些性状不仅带给农民较大经济效益，同时透过种子生产成本减低而让公司获利。比如使用雄性不孕系统或转基因方法。性状来源或种子生产考虑，决定性状放在杂交种的父本或是母本。稀禾定抗性是部分显性，必需同时放在两个亲本，这样杂交种才有足够的抗性。这是比较少见的情况。通常一个亲本带有抗性就足够。同时还要注意遗传纯合可能导致的自交衰退等问题。
X. 双单倍体
1）双单倍体的好处 现代玉米育种的第一步是从现有父母亲本，选育新自交系。需要至少自交6代到7代固定基因组大部分基因，这样新系就会停止分离。使用单倍体加倍方法，可以更快产生新自交系。单倍体植株只有一套单一基因及一组染色体。染色体加倍之后，形成两套完全相同基因的染色体。所有基因都是纯合。双单系快速纯合提供玉米育种一些好处。它可以缩短育种年限，所有隐性基因缺点马上暴露，以及所有个体植株遗传变异及缺点立即显现，改善表现性选拔的品质。
2）单倍体的产生 玉米跟许多其他作物一样，可以使用组织外培养技术产生单倍体。虽然玉米花药及小孢子培养有进展，但是成功仅限于某些基因型个体。学者分析美国4个花培自交系，证实它们的花药培养反应的遗传特性。基因型以及低频率限制了组培技术在玉米育种的实际利用。
配子体不确定隐性基因（ig或indeterminate gametophyte）可以导致不正常胚囊发育以及无核卵子。使用纯合的植株做母本，供体花粉做父本授粉，可以产生 1-3% 父本型单倍体子粒。由于单倍体细胞核来自父本，细胞质来自母本，可以有效提供细胞质雄性不育系统的有效转换。不需回交很多世代，只需一代就可转换细胞质。然而由于效率比较低，这种双单系育种方法，不如下列体细胞母本单细胞方法有效。
柯（Coe）1959年发现墨西哥粉质玉米 Stock6，自交及作为花粉时，可以产生 2-3% 的单倍体。这是一个非常有效的双单系生产方法，因为只需诱导系花粉做父本，可以在隔离苗圃（ICB或Isolated Crossing Block）与许多母本杂交。几乎所有单倍体来自母本，具有母本供体的遗传基因组及细胞质。世界有许多科研单位已经有效改良单倍体诱导频率，某些诱导系的诱导频率高于 10%。
诱导母本单倍体的机制有两种学说。Wedzony 等的学说，认为花粉粒的一个精细胞有缺陷。与卵核授精之后，在胚发育中，精核基因组退化而被排除。成为只有母本单倍体卵细胞及三倍体胚乳。Chalyk 等认为一个精核没有与卵核结合，未受精卵核直接传达胚囊发育信息。目前有一个可以解释 66%单倍体遗传变异的数量性状基因位点已经确认在 243kb 区域范围内。可以帮助进一步了解单倍体诱导机制及数量性状基因的克隆。
3）单倍体的鉴定 最常用的单倍体鉴定是使用显性花青素标记 R1-nj。这个基因在显性花青素基因 A1, A2 及 C2 存在时，使用诱导系花粉与正常黄色子粒受体杂交，产生的二倍体子粒有紫色冠顶及紫色胚芽鞘，单倍体子粒则是紫色冠顶及无色胚芽鞘。这个鉴定方法不适用于世界上少量带有抑制R1花青素形成的显性基因 C1-I, C2-Idf 及 In1-D 受体种质。这些种质与诱导系杂交后，子粒是黄色，没有紫色冠顶及紫色胚芽鞘，不能区别二倍体及单倍体子粒。
此外，植株发芽早期，花青素基因 B1 及 Pl1，可以表现紫色胚芽尖及根尖。因此二倍体幼苗表现紫色，单倍体植株没有紫色。如果诱导系带有独特的基因标记，则可以使用分子标记方法鉴别单倍体。子粒带有独特标记是二倍体种子，如果没有标记，就是单倍体。然而分子标记取样及分析时间比较长，成本比肉眼观察贵。好处是非常精确及具有普遍的适用性。
Geiger 等将抗杀草剂基因转到诱导系上面，二倍体子代抗杀草剂，单倍体子粒则对杀草剂敏感。这个方法在大面积作业时比较费工，因为单倍体对杀草剂敏感，药剂使用量不能太高，凋萎的单倍体幼苗需要马上清洗药害并移栽，在温室保护下，慢慢恢复植株健康。因此有一定的成活率风险。中国农大使用子粒油分含量高低来分别二倍体及单倍体子粒。这个方法在自动化一章会讨论。
4）染色体加倍 单倍体玉米植株的一些体细胞会经由自然的细胞融合，细胞内加倍，核内有丝分裂或其他机制加倍为二倍体组织，产生可孕的花粉及胚囊。通常，雄花可孕程度比雌花要低，同时不同基因型的可孕程度不同。如果要产生可靠的双单系，必需使用化学药剂加倍，提高加倍频率及加倍的一致性。
秋水仙素是目前最广泛使用的染色体加倍剂。玉米单倍体染色体加倍开始并不有效，直到 1994 年 Gayen 等，以及 1997 年 Deimling 等发明切除刚发芽单倍体胚芽鞘尖端的高效方法，然后将切除尖端的幼苗，放在摄氏 18度，0.06% 秋水仙素，及 0.5% DMSO 溶液中 12 小时。处理后，幼苗用水清洗，在保护环境恢复几天，然后移栽人移栽盒或田间。这是目前许多公司单倍体计划使用的加倍流程。
秋水仙素的主要问题是它的毒性。某些杀草剂，比如甲基氨草灵（amiprophos-methyl），氨磺乐灵（oryzalin），戊炔草胺（pronamid），及福乐灵（trifluralin）的毒性比较低，同时可以有效阻止有丝分裂及促进玉米细胞染色体加倍。Kato 2002 年成功使用二氧化氮（nitrous oxide gas）气体，成功加倍玉米单倍体。这些药剂可以作为比秋水仙素廉价，安全的染色体加倍剂。虽然染色体加倍技术已经改良，但是加倍效率仍然是玉米双单系生产的主要瓶颈。使用来自花药的单倍体组织或来自诱导系杂交所产生的单倍体胚组织，利用组培技术加倍的成功率会比较高。但是成本比较高，以及吞吐量有限。（注：文章没有说明孟山都使用的杀草剂。）
5）对认定的双单系植株的照顾 幼苗在秋水仙素等化学药剂加倍之后，一般都很脆弱而很容易受伤。典型的操作是种植在具有最佳温度，湿度，土壤及光线条件的保护环境（温室或遮荫房）的育苗盒。在移栽以前，可以让这些脆弱幼苗恢复。同样，组培产生的可能双单系，需要移栽温室数周，让他们适应自然环境之后，移栽田间。可以在田间使用遮荫网来减少光线及高温造成的损害。适当的农艺管理，包括灌溉，施肥，杂草及虫害，是保持单倍体加倍生产成功的关键。
加倍的单倍体植株组织呈嵌纹分布。就是一块或许多块双倍体组织嵌合在单倍体组织里面。加倍的雄穗及果穗部分产生正常可孕配子，没有加倍的组织不能形成正常配子而不孕。常见的情况是少部分雄花穗组织，可以正常散出少量花粉，而果穗只有一小块组织正常结实。雌雄不调是很普遍现象。因此需要好的授粉技巧及多次授粉，以确保二倍体嵌纹组织完全授粉，结实。
标记表现不清楚或花青素抑制基因的存在，增大单倍体误判的几率。这些植株与受体及诱导系植株的形态不同。杂交植株具有杂种优势，比较高大，很容易在开花前鉴别及清除。也可以比较植株活性，叶型，雄穗大小，以及茎秆花青素色素分布来确定杂株。单倍体果穗收获的子实是双单系种子。果穗子实数量多少不等。但是每一穗都代表一个独特的双单系，可以直接应用在育种计划之中。
XI. 自动化
玉米育种计划从精确，快速，及可重复的机械化作业获益很多。现在大部分北美洲玉米育种计划，都使用精确的子粒-子粒间距及走道播种。差距低于厘米。有能力使用进步的整合技术，包括镜像，自动土壤抽样及产量分布图，以及精确的地理空间调查，来帮助选择最均匀的实验田。小区收获机可以在不到1分钟时间，同时收获多个小区，并及时提供高品质可靠的数据资料。自动化使我们可以提供更快的产出，增大测试脚迹，撲获新资料，更好的资料品质，降低成本，安全及更舒适的工作条件，以及更快的决定。
▲来源：徐云碧老师微信朋友圈
1） 实验室中 高通量种子切屑（seed chipping）是上一世纪对植物育种最显著的自动化贡献。种子在播种之前，就可以在试验室中筛选。田间植株组织的取样，不但成本高，同时受时間，土地，气候，环境及增加资料错误几率的限制。自动化种子切屑避免人工田间取样，效率增加 10 倍以上，可以进行高通量自动化作业，每年可以处理及筛选数千万种子。大多数自动化流程使用大样品材料，没有品质及成分的变化。比如药厂生产药丸，食品加工生产糖果，农业生产水果等。然而自董化种子切屑需要保留每一粒种子身份及个別基因型分析结果，因此样品在处理过程中，必需个别处理并精确标示，以及避免种子切屑时的可能污染。依据基因型结果來决定种子的取舍筛选。种子切屑是一种颠覆性技术，计划提供全新的整个细部结构体系，包括资讯系统，DNA提取，基因型鉴定，种植获选的种子流程都必须重新设计，以最有效使用这项技术。
育种计划需要处理大量小区种子。所有过程必需尽量使用自动化。包括脱粒，清洁，分级，颜色筛选，处理，计算数量及包装。所有这些步骤可以从设备供应商找到解决方法而成为种子处理流程自动化的一部分（参阅 Almaco Seed Process Line 种子处理流程）。自动化增加精确性，可以提供优良品质种子。比如自动称重及计数，在种子处理过程中，可以自动决定需要添加包衣剂的数量，同时也可以掌握附加的性状资料，比如子粒大小，颜色，形状及组成等。最近美国农业部设计了一套高速，镜像筛选技术，可以有效完成这些工作。
另外一项结合生物及工程的设计是单倍体子粒筛选技术。这些技术对玉米育种有显著影响。目前使用显性花青素紫色标记，利用人力筛选。单倍体子粒的油分含量，显然低于二倍体子粒，因此使用油分含量高低，可以使用自动化油分测定仪，大量，快速及便宜的鉴定单倍体。如果诱导系是高油系统，单倍体的鉴定就很精确。孟山都研发出一套使用核磁共振鉴定油分的仪器，每一秒钟鉴定 10 粒种子。这项仪器，配合高油诱导系，可以自动大量筛选，并改善筛选单倍体种子的精确度。
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2）田间 玉米种植到 1990 年代，已经完全自动化。改善播种器设计而完全取代人力。自动化田间人工接种有利于精确的田间病害筛选。模仿不同病害的自然侵入，需要接种各种病害，导致对不同病害，不同的接种设计。比如，可以使用自行设计的在拖拉机后面拖着的穗腐接种器接种。这个设计与模拟打雷所造成的损害相同。有效的玉米抗病育种，需要设计有效的玉米接种方法。自动化病害接种，可以对大量样品群体接种，使得接种样品数量不再是选拔的限制条件。现在可以使用风力机来自动评估玉米植株损害的实际反应。
现在许多其他性状也可以使用自动化程序收集资料，包括倒伏，干旱及营养缺乏环境带来的分析机会。大部分育种计划的资料收集仍然使用人力，不但效率低，同时容易发生错误。镜像分析的进步，与自动化或半自动化工具及环境参考结合，提供改良机会。比如，机械视觉系统，使用多个空间摄像头，在移动中撲捉影像，可以计算直立植株数量。比较镜像分析系统则撲捉玉米植株的轮生叶（whorl）来计算植株数量。这是高通量的大量计算。每一小时可以计算数百株到数千株。机械人现在也开始使用。
XII. 全年的育种苗圃
玉米育种南繁的重要性是每年增加一代，可以有效缩短育种年限。如果在一年四季都很温暖的热带及亚热带繁殖，则一年可以种植 3 代到 4 代。可以使用多季计划结构来管理南繁及一年 4 季的繁育。这些适合多代繁育的地方包括夏威夷，弗罗里达的赫敏斯特（Homestead,Fl.）,波多黎各，墨西哥，智利，哥斯达黎加，瓜地马拉，阿根廷及纽西兰。大型种业都有自己的南繁基地。公私营小型育种计划则依赖当地私有南繁育种公司代工经营管理。不同地区对转基因材料，种子表面处理，以及植物检疫的要求不同。
大部分美国使用的南繁基地，主要作为冬天南繁之用。少数南繁基地则一年四季使用，以加速育种过程及材料转换。比如回交育种及单粒子实后裔繁殖等。一年四季使用的土地可能增加病虫害发生的几率。需要警觉控制病害。夏威夷使用一年 3 季播种 110 天玉米。这样玉米生长是 330 天，可以休耕1 个月或 30 天，使用翻土，处理等方法来杀死病虫害。
南繁基地可以做很多重复性的工作，比如人工授粉，隔离杂交苗圃来生产杂交种子，单倍体诱导，以及染色体加倍等工作。短日照南繁环境有利温带及热带种质的杂交。由于南繁基地环境与美国玉米带的环境不同，限制育种家对某些性状的直观选拔。
气候也是重要考虑的因素。南繁基地虽然温度良好，适合玉米生长。但是雨季的连续大雨，可能增加病虫害发生，穗腐严重，以致影响种子的品质。需要好的虫害管理计划，以降低昆虫在连续玉米种植及适当温度的良好环境下，多带繁殖的危害。此外，还需考虑热带暴风，台风，飓风及气旋对玉米造成的危害。因此种业通常会在不同地区，种植相同的材料，以确保材料不会因为恶劣气候完全损失。干旱地区必需灌溉，但是很多热带地区，水资源的管制严格，水的价格很贵。此外，还需考虑交通便利，地区内在结构良好，安全，土地问题，人力供应以及当地民众对种业友善程度，都是附加的考虑条件。比如，虽然夏威夷地价很贵，同时少数居民对种业不很友善，但是交通便利，种子进出容易，同时没有飓风，因此，夏威夷成为美国主要玉米种业的主要生产基地。
美国玉米带育种家非常依赖南繁基地作为系统加代，升级，DH 扩增，及组建杂交种。南繁基地对每一项作业，都有固定的标准作业流程，以确保每一指令精确完成。行的长度及授粉指令有各种变异。育种家必需依据指令来准备种子。此外，南繁基地对于农艺操作，时间表，生长，收获，加工，及送回育种家手中，以及收费数额等，错误发生的几率要在 5% 以下。某些南繁基地负责转基因材料，对安全及材料管理更严格。
XIII. 产量测试及田间作业
1）建立产量测试系统 建立一个有效的种质表现型系统来辨认最佳自交系及杂交种是任何育种计划成功的关键。每一年育种计划要评估数百个不同地点的数百万个种质小区。如果要测试系统有效，必需具备一些基本条件，包括选择位置，精准播种，良好作物管理，足夠的人力收集所有生育期中必要的及突发的资料，准时收获，及资料品质控制。过去育种家对测试系统的作业责任，明显超过管理责任。育种站的大量整合，全球标准化的要求，以及测试小区工作量的明显增加，导致必需由专业人员來分工负责。实验地点选择很重要，决定种质表现型准确程度。测试系统需要执行下列工作：
对目标销售环境杂交种取样的适当性及适当比率。必须考虑大量生育适应性参数，包括生育期长短，土壤类型，及管理作业，包括翻耕，轮作及灌溉。
对已经升至育种管道较高阶段的杂交种，测试点要足够，以保障试验的准确性。
选取几个特殊环境，让杂交种接受异常考验，包括干旱，倒伏，高温，病害，碱性土壤及冷发芽能力。
测试可分布在较广地区，降低区域及地方恶劣环境对测试的危害，如冰雹，冻害，干旱，淹水及大风。
基于安全及设备的机动性考虑，育种站与试验田距离不要太远。
满足上述条件，可以节省育种开支。
与勤奋的农民建立长期使用关系，可以了解那个测试点的优劣条件，增加测试的适用性。
2）选拔地点的原则及实例 选择均匀的测试地点对于测试系统效应的成败，至关重要，许多分析仪器可以帮助选择。均匀的测试地点代表测试地点土壤结构的变异性小，土壤肥力差异不大，土地平整，没有高低凹陷，土壤空间结构变异，可以使用对测试地点的了解，使用完全及不完全试区资讯，或使用行及列设计来改善。使用卫星图像，及资料监测的以往产量资料，以及廉价的土壤分析仪器，可以帮助我们选择最佳产量结果的测试地点。对于测试抗旱性，这一步非常重要。在不良环境条件下，增大小区空间资料变异。下面是新技术如何增大田间测试的效率范例。
没有植物生长的裸露土壤，反射的太阳光谱能量直接与表土结构，以及保水性能，土壤有机质含量，以及土壤湿度有关。因此裸露土壤的大气及卫星图像，可以提供许多评估田间土壤变异的有用信息。土壤电导性（EC或Electric Conductivity）可以帮助了解土壤结构，土壤湿度，土壤保水能力，以及农田表土土层深度。土壤电导性调查已经广泛使用于精准农业分析田间变异，以及描绘管理带。美国农业部天然资源保护服务（NRCS或Natural Resources Conservation Service）提供大众查看世界最大，包括美国 95% 郡县的土壤资料库 STATSGO2,以及次级土层资料库SSURGO。美国国家农业统计服务（USDA National Agricultural Statistics Service）同样对主要作物提供州郡详细的信息，比如玉米产量。请参考.玉米在成长过程中，有三个时期发育会受到缺水影响，就是营养生长晚期，开花期及子粒填充期。在选择测试地点时，这些时期的降雨及温度变化模式应该列入考虑。
美国SSURGO土壤数据库的裸露土壤镜像及土壤分布图，包括土壤物理及化学特性，土壤剖面叙述，以及一般产量水平等，作为2007年在堪萨斯的芬妮郡选拔控制干旱测试地点的依据。同时从SSURGO获得第二层土壤图及资料（http://datagateway.nrcs.usda.gov/）。确定4块土地符合标准。4块地点都只有一种类型土壤，但是只有一块土地可以灌溉。因此那块土地获选。
依据美国农业部土壤资料，获选土地正好位于两种类型土壤交替的位置，两种土壤分布面积都相当大。土质深厚，排水良好，适合玉米生长。第一种土壤底土比较浅（0.3 米，硒质粘土）。第二种土壤没有底土，但是具有较深的深层土（大于 0.3 米，有色土）。玉米带西部的底土的粘土含量比深土层要高。因此，前者土壤浅电导值比后者要高。
农业部土壤图是 1 比 2 万 4 千分之 1，至少代表 2.3 公顷面积。地图太粗放，不适合小区分析。因此需要将地图放大，观察细部结构。依据细部分析，定义成 3 种类型土壤。高电导，混合型，及低电导。舍弃混合型土壤，在高电导及低电导土壤（土壤均匀，变异小），各设一个抗旱测试点。使用灌溉降低土壤差异。结果证明高清晰的土壤图，可以改善测试小区的差异。第二块测试区比第一块开花早，以及散粉吐丝区间要短。结果证明第二种土壤比较耐旱。（注：不耐旱表现是开花延迟，散粉吐丝区间扩大。）
3）测试管理最佳作业 一旦选择好测试地点之后，必需妥善管理任何可能影响测试的因素。从冬天开始，需要测量田间大小，确定试区四周边缘，准备好田地（包括翻耕，施肥，及杀草剂处理等）。如果测试包括转基因材料，必需符合一切程序及规定。制作田间试验分布图，正确排列种子袋，准备播种。必需特别小心，避免种子放错或种错位置。错误会降低测试品质，特别是移位，将会使所有小区资料错误。
小区播种使用特殊设计的播种机。某些公司可以依据你的需要而设计机械。比如Almaco Kincaid, Seed Research Equipment, 及 Wintersteiger等。现代播种可以借助卫星资讯的全球定位系统来精确的播种每一小区。现在种子播种深度，间距，以及空间配置都非常精确，保证植株之间具有等量的竞争及压力，降低结果的误差。精确调整及测试设备，高品质种子，以及良好播种日期及土壤条件，保障种植的成功。
播种之后，注意力转移到作物管理操作。栽培条件一致性是精确测定表现型的关键。所以准确，一致，和及时施肥，喷药，栽培及任何翻耕需要，都必须正确完成。田间虫害在整个生育期，永远不会均匀发生。要随时注意观察，控制虫害发生，以避免因不均匀虫害发生而导入的变异。定期田间观察及小区评估，准确记录田间情况，以及依据实际情况，随时淘汰不良小区，以保持资料的可靠性。
整个生育期及生育以后时期要收集已经计划及临时产生的许多性状资料。需要工作组的灵活性，责任心，高标准，及适当的工具来及时完成大量资料的收集工作。使用移动性电子设备来扑捉资料的能力，可以增加资料的正确性，提高收集速度及效率。大部分玉米测产是机械收获。经常一次可以同时收获好几个小区（注：通常收获 4 行，两个 2 行小区，或 8 行，四个 2 行小区。因为每一小区必须要有收获子粒不同的一套进口，脱粒，清洁，称重，测含水量设备。超过四小区，已经没有实际效益。）。称重及测水分设备在使用前要精确调试。使用全球卫星定位系统及云端计算来追踪及扑捉资料。整个过程的品质管制是保障表现型资料正确的必要条件。
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