从能量和信息的角度看玉米育种的历史和未来

编辑 | 新锐恒丰研究院

作者 | 刘丙新，智种网

最近较为系统地学习了吴军的《科技史纲60讲》，主要内容是从能量和信息两个角度分析了人类历史上一些重要科技进展，很有启发感触。

为什么要从能量和信息这两个角度来分析，因为这个世界的终极答案就是能量和信息。我们过去说世界是物质的，其实更准确地说，世界应该是能量的，物质从本质上讲就是由能量构成的（爱因斯坦的质能方程 E=MC²）。那信息又是什么呢？信息就是组织和调动能量的法则，比如语言、文字、公式、公理等等。科学的本质就是通过一套有效的方法去发现这样一些特殊的信息。

科技史上重大的科技进步最终都是体现在能量或信息上。牛马驯化、蒸汽机、煤炭石油电力的使用、原子弹等大大增加了人类可以驾驭的能量。语言、文字、纸张、印刷术、电报、电话、计算机等发明加强了信息的传递和沟通。育种技术上陆续使用的孟德尔和摩尔根发现的三大遗传规律，分子标记、基因测序、转基因等生物技术，统计分析，计算机等等都是直接和信息相关的。

在人类真正从事新品种选育之前，农作物产量的增加更多依靠畜力、犁具、垄作、轮作等善用能量实现的。出现职业育种家开始改良品种以后，以美国为例，一个半世纪以来遗传改良对美国玉米产量增加的贡献率约为 50%，栽培管理技术的改进对产量增加的贡献率为 50%（Duvick，2005）。而新品种的选育更多是利用遗传规律、生物技术等基因信息相关的理论和技术。肥料、密度、合理轮作、机械化操作以及病虫草的防治等栽培技术更多的利用了作物与环境互做的信息。

我们先从能量和信息的角度简单回顾总结一下玉米育种的大致历程。

玉米育种的四个阶段

1）育种 1.0 阶段

从一万年前到人类祖先开始驯化谷物开始一直到20世纪初，主要依赖对作物表型变异的肉眼观察，凭借经验和主观判断，筛选高产、抗病等符合目标性状的材料。没有理论假说、科学方法论的指导，主要靠经验选择自然变异，进展非常缓慢。

2）育种 2.0 阶段

19世纪末20世纪初随着孟德尔、摩尔根发现三大遗传规律，紧接着伊斯特（Edward M. East）、沙尔（GeorgeHarrison Shull）和琼斯（Donald F. Jones）等许多遗传学家和育种学家研究杂交玉米。从此育种家通过预先设计杂交育种试验，选育现代栽培品种。这个阶段相继推广综合种、双交种、单交种，使得玉米第一次出现产量大幅上升。

有了遗传规律、杂种优势和相互轮回选择等理论的指导，育种家们第一次可以按照预先设计去改良选育新品种，效率大大提高。不过这个阶段还是以经验为主，主要依据植株的表型性状和简单的遗传规律来评价选育自交系和品种。同时期钴60，EMS等诱变技术人为创造大量变异，南繁加代加速了育种进程。

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，以RFLP、SSR、SNP为代表的分子标记的应用在玉米基因定位、杂交优势研究、种质多样性分析以及目标性状辅助选择等方面发挥了重要作用。转基因技术使人类第一次打破了物种间的生殖隔离，将微生物等外源的功能基因片段可以整合到玉米基因组中发挥作用并稳定遗传。抗虫、抗除草剂玉米的推广使得玉米在全生育期尽量减少了外界的生物和非生物逆境胁迫，最大限度地接近理论产量。

再加上DH技术、多点多年的异地鉴定、高密度等方法的应用加快了育种进程，同时获取了更多的信息，可以更快更准地选育出较为理想的品种。育种家们第一次有了大量基因型的数据可以从不同维度去验证、加速表型的选择。这个时代计算机的普及使用也给数据管理提供了保障。

4）育种 4.0 阶段

新技术的发展速度可能超越了我们的想象，1.0阶段我们用了上万年，2.0阶段不到两百年，3.0阶段也就在半个世纪以内，4.0阶段来临的时间可能真的很快。

测序技术、高通量的表型获取、基因编辑、5G、人工智能等技术的突破让我们畅想4.0时代的育种情形。如果以前我们说育种就是数字游戏，是概率事件。那

么以后育种真的就是大数据育种，未来育种就是田间管理（栽培、植保、机械）+数据获取（表型和基因型等大数据、人工智能、5G）+数据处理（数学家，算法、人工智能）。4.0时代数据信息将成为一个种业公司最重要的资产和竞争力。

面对育种4.0的到来，应该做哪些准备？

随着DH、分子标记、芯片测序等技术的发展，不但自交系改良迭代的速度越来越快，对自交系和品种的信息描述也越来越全面，越来越精确。3.0阶段以来，在土地、人力、机械等能量增加的速率在放缓，而信息增加的速率在放大。无论是育种（遗传）还是栽培（环境），单靠增加能量投入实现增产的边际成本越来越高，更可行的方案是在发现、搜集及利用遗传和环境信息方面取得突破和领先。栽培（环境）方面，以拜耳气候公司精准农业就是很好的例子。通过大量采集气候、土壤、肥料和病虫害等数据信息，结合作物（例如玉米）的生长规律，建立模型，来实现农作物全生育期与环境互作的解决方案。

目前的状态是孟山都、先锋等几家国际一流种业正在从3.0到4.0，而国内种业阶段还处在2.0到3.0的阶段，差距非常明显。那么我们应该怎么应对呢？以下是一些个人的简单思考，仅供参考。

1）思维的改变

工业时代的科学基础是强调确定性和可预测性的机械论。但是从20世纪初爱因斯坦的相对论，海森堡的测不准原理的提出，普朗克、波尔和薛定谔等物理学家们意识到不连续性及不确定性才是我们这个世界的本质。从机械时代走到信息时代，新的科学基础和方法是控制论、信息论和系统论。

控制论研究的是在一个动态系统中，在内在和外在诸多不确定因素下，如何保持平衡状态的方法论。它的核心思想是利用对各种输入信号的反馈来控制系统的问题。

信息论也是一种方法论，我们今天热门讨论的大数据思维其科学基础就是信息论。信息论最基本的思想就是为了消除不确定性。如何消除不确定性，其关键就是利用更多的数据和先进的工具掌握更多的信息。所有的科学无疑都是搜集并处理信息的科学。这个过程可以归纳为如何获得信息，如何处理大量数据，并提炼总结规律。

在经验育种时代，育种家是按照预先设计去选择那些认为可预测性的。到了信息时代，育种家是通过各种工具、数据不断消除各个环节的不确定性。当然刚开始可能效果不理想，但随着技术发展，效率会越来越高，越来越准确。到了那一天，育种就是数学家和栽培学家的工作了。先锋80年代的高密度育种、多点多年的测试实质也是获得了更多的信息，分子标记的应用同样如此。

我们群内老师的相互交流分享也是增加了大家能获取的信息，大家都觉得收获满满，就是因为接下来的工作中一些交流信息可以帮助我们减少部分不确定性。

系统论是面对高度复杂的产品和系统进行管理的方法，系统论的观点认为，整体的性能未必通过局部性能的优化而实现。很多人喜欢使用苹果的iPhone手机，不是因为它的配置高，而是因为当初在将技术和艺术相结合上，没有人能在境界上超越乔布斯，以至于苹果手机整体的体验好。同样玉米品种也是，如果将品种分解为产量、各种抗性、株高、生育期等数据指标，苹果手机的整体性能表现就如玉米品种的最终表现，手机的各种配置就如玉米的各个性状，我们最终想要的是最优的整体解决方案而不是部分指标的最高的简单累加。

2）新技术的了解甚至应用

思考的立场应该站在未来，做事的办法就不能局限于今天的技术。计算机、分子标记、转基因以前都是新技术，智能手机十年前也没有。

一言以蔽之，新的时代需要新的思维和新的技术。正确思考问题的方式是站在未来的角度回顾今天，而不是以今天的技术去推测明天。我们应该抱着终身学习的态度，并积极主动地了解和学习基因编辑、数字技术和人工智能等新技术。

育种4.0时代，常规育种的定位和应对

面对即将到来的4.0时代，传统育种家最大的担忧是如何定位和应对。

育种的终极目标是产品即品种，产品的基础是自交系。按照系统论的观点，一个复杂系统（品种可以理解为复杂的内部基因和外部环境互作的系统工程）的最优结果绝对不是各个最优指标的简单累加。育种的本质是有利等位基因的聚合，但有利的基因也是针对特定环境，特定需求而言的，而且绝大多数的基因都是微效基因，微效基因的改良通过常规的相互轮回选择改良证明是有效的，分子标记、转基因乃至基因编辑技术能解决的还是以质量性状为主，因为绝大多数情况下，仅一种核苷酸的替换并不能解决问题。也就是说新技术的应用主要是附加在最新最优的自交系之上，而我们常规育种家最擅长的也是选育新自交系。可见的未来，比如三五十年内，常规育种家还是应该尽力做好自己的本职工作,积极了解新技术并尝试应用。

面对大公司的技术先进，资源丰富，我们还有什么优势呢？通常的一个思路是和大公司最强大的地方去竞争，也就是硬抗和死磕；第二种就是避实就虚，找它最弱的地方去竞争。但这两条路都很难，因为大公司有竞争优势的地方也不是凭空而来，而是长时间努力的结果，它围绕这个长处一定积累了太多看得见看不见的优势。那避实就虚呢，现实往往就是这个细分市场可能很小，它不重视。大公司最大的软肋实际上在于迁移成本，大公司之前形成的优势往往也是下一次大的进步的障碍，IBM、柯达、诺基亚都是如此，先锋公司也因常规育种的强大优势而在转基因技术方面被后来者孟山都超越。主要原因是改变的成本巨大，而且一旦改变原本的优势就没有了，但新的优势还不一定能形成。再加上改变的流程很慢，时间很长。

以杂优模式为例，杂优模式没有唯一的答案，也可能没有最好的答案，任何合理的，逻辑上能自洽的，实际证明有效的都是好答案。好的模式是可重复，可迭代的。大公司形成了相对固定的杂优模式，这是他们的优势，同样也可以看作我们的机会。由于大公司沿着固定模式积累了太多的种质资源，这里有两个思路可以参考：

第一个简单些，在大公司既有模式的基础上长出自己相对独特的枝干，比如中晚熟的SS/NSS模式，我们同样固定SS种质相对血缘纯正，在保证合法的前提下，将大公司的SS类融合，好处是起点高，纯合快，合法且有差异，同时面对今后SS新种质，可以快速简单的融合到自己的SS改良系中。当然也可以固定NSS，这里面到没有绝对的两群论，我提倡广义两群论或者叫相对两群论，针对不同区域，不同的实际情况，我们应该固定一面，放开对立面。这方面李老师做的很好，他就是针对不同种质，不同熟期，有的固定欧硬（欧硬/非欧硬），有的固定Iodent（ID/非ID），有的固定兰卡（兰卡/非兰卡）。这种做法的好处主要有：1、种质资源有特色，又区别于其它的公司；2、起点高，风险低。起点高就决定了最终稳定的自交系本身产量较高，风险低是因为所利用的资源，都是经过了多年、多点、多部门的鉴定，较好地控制了风险。3、可持续、可迭代。面对今后源源不断的新种质，可以参考杂优模式快速简单和自己的种质进行整合。

第二个是：打破固有模式，走出完全自主之路。这方面以登海、良玉、北京农林等为例，走出了美杂/地方种质的杂优模式。优点是没有产权问题，同时可以不断利用最新的种质，但反过来却不行。缺点是前期投入大，风险高。因为杂优模式也不是凭空而来的，也需要互为对立面的种质类群拉开遗传距离且固定有利基因。但一旦形成了像B73等BSSS类群一样，在自我核心种质、杂优模式形成之后，再往后就是康庄大道。

无论选择什么道路，我们要遵循的一个原则是把能量集中到一点上，形成局部很高的能量密度，实现突破。正如姜老师提倡的少做组合，放大群体即做减法，少做事，把有限的资源集中到少数几个组合中，形成局部突破。如在大型战争中，整体可能不占优势，但要尽量形成局部优势，方有活路，尽管最终仍然有可能会倒在海陆空、卫星、中远程导弹的精确打击下。

小结：

1）世界的终极答案就是能量和信息，本质也是不确定性的。

2）每一次育种上重大突破都是获取信息的增加。产量的增加也是截获转换了更多的能量。

3）新的时代需要新的思维、新的技术。

4）信息时代，新的科学基础和方法是控制论、信息论和系统论。

5）育种家最终选的是品种，是一个内部复杂系统和外部复杂系统共同作用下的最优解决方案，而不是不同指标最高标准的简单聚合。

6）大量信息的获取及处理将是 4.0 时代的核心竞争力。

7）杂优模式没有绝对的，只有相对的。也没有最好的只有最适合的。

8）集中能量局部突破，先在局部形成优势才能生存，生存下来才有发展的可能。

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