分子設計育種從經驗育種到定向精確育種

作物育種的主要任務是找到控制對象的基因，研究這些基因在目標環境群中的表達形式，并將不同材料中的有利基因和基因組合起來，以確定農業生產中的合適品種。傳統育種過程中育種家潛意識地利用設計的方法組配親本、估計后代種植規模、選擇優良后代,Peleman和vandeVoort明確提出設計育種的概念,萬建民和Wang等又進一步明確分子設計育種應當分三步進行即(1)定位相關農藝性狀的基因位點,評價這些位點的等位變異,確立不同位點基因間以及基因與環境間的相互關系;(2)根據育種目標確定滿足不同生態條件、不同育種需求的目標基因型;(3)設計有效的育種方案、開展設計育種。分子設計育種提出到現在只有幾年時間,但已成為引領作物遺傳改良的研究領域。設計育種的核心是建立以分子設計為目標的育種理論和技術體系(圖1),通過各種技術的集成與整合,在育種家進行田間試驗之前,對育種程序中的各種因素進行模擬、篩選和優化,確立滿足不同育種目標的基因型,根據具體育種目標設計品種藍圖,提出最佳的親本選配和后代選擇策略,結合育種實踐培育出符合設計要求的農作物新品種,最終大幅度提高育種效率,實現從傳統的“經驗育種”到定向、高效的“精確育種”的轉變。本文綜述近些年來我國作物分子設計育種取得的進展,結合國內外的研究現狀對分子設計育種的未來進行展望最后提出我國作物分子設計育種近期內應加強的若干研究領域。1中國作物分子的設計與繁殖1.1聚合型遺傳研究材料的應用和應用隨著新的遺傳分析方法的建立[12,13,14,15,16,17],我國在大多數作物中已創制出類型多樣的遺傳研究群體,對大多數育種性狀已開展QTL定位、基因精細定位和克隆研究。《作物學報》2005年1月至2010年7月間發表的470篇有關性狀遺傳研究文章中(圖2)按作物種類來看,水稻占28%、小麥占20%、玉米占10%、大豆占11%、棉花占6%、油菜占6%,其他作物包括花生和馬鈴薯等占19%;按遺傳研究群體的類型來看,種質資源和現代品種(品系)占35%、雙親雜交衍生群體(如F2、加倍單倍體、回交、F3和重組近交家系等)占38%、染色體片段置換系占7%、多親本遺傳交配群體(如自然群體、NCI、NCII、NCIII和雙列雜交等)占8%,其他包括細胞遺傳學和突變體材料等占12%;按采用的遺傳分析方法來看,經典遺傳分析(包括經典孟德爾遺傳、經典群體遺傳和數量遺傳等)占29%、QTL作圖占33%、關聯分析占4%、精細定位和克隆占17%,其他分子遺傳學分析方法占17%。由此可見,遺傳研究材料更加豐富多樣、遺傳研究手段和方法更加先進和精細,育種性狀的遺傳研究全面進入基因和DNA分子水平。QTL作圖是基因精細定位、克隆以及有效開展分子育種的基礎,目前已成為數量性狀遺傳研究的主流方法(圖2-C)。QTL作圖常用的回交、F2、加倍單倍體、重組近交系等群體(圖2-B),由于分離位點和分離染色體區域較多,難以排除QTL間的相互影響,不能準確估計QTL的位置和效應,也難以研究不同QTL間的互作。而置換系與背景親本的雜交后代僅在少部分基因組區段上分離,有利于基因的精細定位和克隆,目前大部分已克隆的數量性狀基因都是通過構建置換系實現的,單片段和雙片段置換系的結合又是研究基因間互作的理想材料,因此置換系的創制和利用得到越來越多的重視。我國已建立了多套染色體片段置換系群體,這些純合的置換系與背景親本再雜交,就能產生雜合染色體片段置換系,從而研究雜合基因型效應。盡管這些材料的產生過程耗時很長、花費也很大,但一旦產生出來,卻是準確研究基因間互作的理想遺傳材料,同時也可以確證其他作圖群體中檢測到QTL的真實性。當然,突變體和近等基因系也是較理想的遺傳研究材料,適宜于基因的精細定位、克隆和功能驗證。1.2育種模擬工具的應用目標基因型的預測、育種方法的優化須借助適當的模擬工具,QuLine是國際上首個可以模擬復雜遺傳模型和育種過程的計算機軟件,QuLine可模擬的育種方法包括系譜法、混合法、回交育種、一粒傳、加倍單倍體、標記輔助選擇以及各種改良育種方法和各種方法的組合;可模擬的種子繁殖類型包括以下9種,即無性系繁殖、加倍單倍體、自交、單交、回交、頂交(或三交)、雙交、隨機交配和排除自交的隨機交配等,通過定義種子繁殖類型這一參數,自花授粉作物的大多數繁殖方式和雜交方式都可以進行模擬。目前QuLine已應用于不同育種方法的比較、研究顯性和上位性選擇效應、利用已知基因信息預測雜交后代的表型以及分子標記輔助選擇過程的優化等。在QuLine的基礎上,近兩年又研制出雜交種選育模擬工具QuHybrid和標記輔助輪回選擇模擬工具QuMARS,QuHybrid將對雜交種育種策略的模擬和優化、不同雜交種育種方案的比較起一定作用,QuMARS將回答輪回選擇與標記輔助選擇的結合過程中遇到的一些問題,如利用多少標記對數量性狀進行選擇,輪回選擇過程中適宜的群體大小,輪回選擇經歷多少個周期就可以停止等等。這些模擬工具為把大量基因和遺傳信息有效應用于育種提供了可能,通過這些模擬工具,可以預測符合各種育種目標的最佳基因型、模擬和優化各種育種方案、預測不同雜交組合的育種功效,最終提出高效的分子設計育種方案。育種模擬工具可以克服田間試驗耗時長、難以重復的局限性,通過大量模擬試驗全面比較不同育種方法的育種成效。改良系譜法和選擇混合法是純系品種選育過程中經常采用的2種育種方法。模擬試驗表明,經過一個育種周期后,改良系譜法把群體的產量基因型值提高到55.83%,選擇混合法把群體的產量基因型值提高到56.02%,因此從產量性狀的遺傳增益上看,選擇混合育種方法要略優于改良系譜育種方法。兩種方法在F1代的雜交數均為1000,F1代選擇后淘汰約30%的組合,經過10個世代的選擇后,在中選的258個近交系中,改良系譜平均保留了118個雜交組合,而選擇混合平均保留了148個組合。在中選群體中,選擇混合育種方法要比改良系譜育種方法保留的組合多30%。較多的組合數,意味著較高的遺傳多樣性,因此從中選群體的遺傳多樣性上看,選擇混合育種方法要明顯優于改良系譜育種方法。從兩種方法分別產生的家系數和種植的單株數來看,從F1至F8,選擇混合育種方法產生的家系數只是改良系譜育種方法的40%,選擇混合育種方法種植的植株數只是改良系譜育種方法的2/3,因此選擇混合育種方法花費較少的勞力、占用較少的土地資源,從經濟的角度看,選擇混合育種方法也明顯優于改良系譜育種方法。回交育種是轉育基因的有效方法,隨著育種工作的開展,供體親本的適應性也在不斷提高,除輪回親本中欠缺的基因外,可能也攜帶有利的產量和適應性基因,而回交次數越多,供體親本中的有利基因丟失的可能性越大,因此回交多少次以便將供體親本的優良基因導入到輪回群本、同時還能進一步改良輪回親本的適應性是育種家經常關心的問題。假定育種目標在于導入輪回親本中的優良供體性狀、并同時改良或至少不降低輪回親本的適應性,模擬試驗表明:當控制優良供體性狀的基因多于3個,供體親本的適應性很低時,采用2次回交;當控制優良供體性狀的基因多于3個,供體親本也有一定的適應性時,采用1次回交;當控制優良供體性狀的基因等于或少于3個,采用2次回交。大多情況下,3次回交和2次回交在改良適應性上無明顯差別,但回交次數越多,丟失優良供體性狀基因的可能性就越大,因此,如果沒有分子標記可以用來追蹤供體的多個待導入基因,就沒有必要回交2次以上。這樣的回交不僅能夠改良輪回親本中的少數不良性狀,而且還能通過超親分離進一步改良輪回親本中的優良性狀,培養適應性和產量比輪回親本更高的品種。1.3基于綠色超級稻的育種策略萬建民和Wang等利用粳稻品種Asominori為背景、秈稻品種IR24為供體的65個染色體片段置換系(CSSL)開展水稻粒長和粒寬性狀的QTL分析,根據QTL分析結果設計出大粒目標基因型,并提出實現目標基因型的最佳育種方案;隨后開展分子設計育種,于2008年選育出攜帶秈稻基因組片段的大粒(長×寬>8.5mm×3.2mm)粳稻材料。我國水稻矮化育種和雜種優勢利用已取得突破性成果,萬建民進一步提出超級稻育種目標,即構建理想株型、利用秈粳亞種間雜種優勢、尋求水稻單產、品質和適應性的新突破,同時還指出將分子設計育種的知識和手段應用于超級稻育種,以在盡可能短的時間里培育出更多、更好的超級稻品種或雜交組合。Wang等利用前面的CSSL群體在8個環境下的表型測定數據開展水稻籽粒品質性狀的QTL分析,在2.0的LOD臨界值下,發現有16個染色體片段在不同環境下影響堊白大小,15個染色體片段影響直鏈淀粉含量,根據這些片段在不同環境下的遺傳效應,確定了9個具有穩定表達和育種價值的染色體片段,設計出滿足多種品質指標的育種目標基因型;隨后開展分子設計育種,于2009年選育出低堊白率(<10%)、中等直鏈淀粉含量(15%~20%)等綜合品質性狀優良的水稻自交系。Zhang指出以往的大量研究已發現水稻抗病蟲、氮和磷高效利用、抗旱和高產等種質材料,分離并鑒定出控制這些性狀的重要基因,目前正通過標記輔助選擇或遺傳轉化等手段逐步將這些優良基因導入優異品種的遺傳背景中,在此基礎上,進一步提出“綠色超級稻”這一概念和育種目標,即培育抗多種病蟲害、高養分利用效率、抗旱等特性,同時產量和品質又得到進一步改良的水稻品種,以大幅度減少農藥、化肥和水資源的消耗,最后還設計了實現“綠色超級稻”這一目標的育種策略。植物育種其實就是不斷地聚合存在于不同親本材料中有利等位基因的過程。Wang等設計了聚合9個主效基因的小麥理想基因型和育種方案,9個主基因目前均有完全或緊密連鎖的分子標記供育種家使用。等位基因Rht-B1b和Rht-D1b降低小麥株高,在“綠色革命”中曾發揮重要作用,但這2個矮稈基因同時降低小麥胚芽鞘長度,不利于干旱條件下小麥根系的發育;矮稈基因Rht8降低小麥株高但不影響小麥胚芽鞘的生長;Sr2抗小麥稈銹病;Cre1和VPM抗小麥線蟲病;Glu-B1i和Glu-A3b可以改良小麥面團品質;tin基因則降低小麥無效分蘗數。位點Glu-A3和tin同在小麥1A染色體短臂上,遺傳距離為3.8cM。這些優良等位基因分布在3個不同的小麥品種中,根據干旱條件下的育種目標,確定目標基因型應具備半矮稈(抗倒伏)、長胚芽鞘(根系發達)、抗多種病害、籽粒品質優良、無效分蘗少等優良性狀。目標基因型在分離世代早期的頻率極低(不到百萬分之一)。因此即使每個基因都有標記,也難以在早代選擇到理想的目標基因型,通過大量選擇方案的模擬比較,找到一個多步驟選擇策略,步驟1:在三交F1代,選擇在Rht-B1和Glu-B1位點上基因型純合的個體,同時選擇Rht8、Cre1和tin位點上至少包含一個有利等位基因的后代個體(這種選擇成為強化選擇);步驟2:在三交F2代,選擇Rht8為純合型的個體,同時強化選擇其他未純合的基因位點;步驟3:在育種材料近于純合的高世代,借助分子標記選出目標基因型。采用上述的多步驟選擇策略,大約600個個體就能選擇到1個目標基因型,如果等到育種材料近于純合再進行選擇時,大約在3500個個體中才能選擇到1個目標基因型,因此模擬優化研究后提出更為有效、可行的多步驟選擇策略。在多個主基因分子標記聚合育種方法基礎上,Wang等設計了聚合主效基因和微效基因的育種模擬試驗,對如何利用標記輔助選擇、表型選擇和聯合標記輔助和表型選擇進行了系統研究。抽穗期是與水稻品種適應性密切相關的一個重要農藝性狀。Wei等利用已知抽穗期基因測驗種間的雜交,鑒定出109個中國主栽水稻在主要抽穗期基因位點上的等位基因構成,然后利用粳稻品種Asominori和秈稻品種IR24雜交產生的重組近交家系在第2、第3、第6和第8染色體上定位到4個能夠在5個年份和多地點都能穩定表達的QTL,根據這些遺傳信息推斷出:如果把光敏感位點上的等位基因Se-1n替換為等位基因Se-1e就能解決秈粳雜交水稻的晚熟問題,在此基礎上,設計了一個常規和分子標記輔助相結合的育種策略,并利用這一設計育種方案選育出生育期適中的秈粳雜交水稻品種。育性不完全是秈粳雜種優勢利用中面臨的又一重要問題。遺傳研究表明雜種不育是由少數位點上等位基因間的互作引起的,利用適當的等位基因組合就能克服秈粳雜種的不育,Chen等設計了一個標記輔助回交育種策略,將秈稻品種輪回422S中的光敏雄性不育基因導入到優良粳稻品種珍稻88中。選擇過程中,利用微衛星標記RM276、RM455、RM141和RM185分別追蹤輪回422S中的光敏雄性不育基因S5、S8、S7和S9,最終選育出具有光敏雄性不育、同時表型類似粳稻的育種材料509S。基因型鑒定表明509S攜帶有92%的粳稻基因組,為秈粳雜種優勢的有效利用提供了重要的遺傳材料。在開展作物分子設計育種實踐的同時,分子設計育種的內涵進一步明確,分子設計育種技術體系初步建立起來。概括地講,分子設計育種的前提就是發掘控制育種性狀的基因、明確不同等位基因的表型效應、明確基因與基因以及基因與環境之間的相互關系(圖1);其次,在QTL定位和各種遺傳研究的基礎上,利用已經鑒定出的各種重要育種性狀基因的信息,包括基因在染色體上的位置、遺傳效應、基因之間的互作、基因與背景親本和環境之間的互作等,模擬預測各種可能基因型的表現型,從中選擇符合特定育種目標的基因型(圖1);最后,分析達到目標基因型的途徑,制定生產品種的育種方案,利用設計育種方案開展育種工作,培育優良品種(圖1)。2分子設計和繁殖發展趨勢2.1遺傳交配設計由于研究目標的不同,遺傳群體和育種群體間有很大差異(圖3),遺傳群體一般選擇具有某些優良性狀的親本和不具備這些優良性狀的少量親本進行雜交,群體產生過程中要盡量排除選擇和遺傳飄變等因素的影響;而育種群體一般選擇同時具有多種優良性狀的大量親本進行雜交(即優×優),期望通過性狀(基因)互補和超親分離產生更加優良的后代,后代材料要經歷較強的人工和自然選擇。因此在以往的研究中,遺傳群體適宜于遺傳研究,如QTL定位、基因間互作和基因和環境互作等,但這些群體的育種價值有限;而育種群體有較大的實用價值,卻難以開展遺傳研究(圖3)。這樣,遺傳研究的結果往往得不到育種家的認可、或在育種中發揮應有的作用。因此,有必要研究新的包含多親本的遺傳交配設計,以期創造出既有育種價值又適宜于遺傳研究的群體,即圖3中的理想群體。這樣的群體同時具有遺傳和育種價值,將更好地實現遺傳研究和育種實踐的結合。國外已開始在這方面做研究,如圖3中的NAM和MAGIC就是近幾年根據新型遺傳交配設計創造出的適宜遺傳研究同時又具有較高育種價值的群體。新型遺傳交配設計可以創造出既適宜遺傳研究同時又具有較高育種價值的群體,但研究這些群體需要新的遺傳分析方法,遺傳分析新方法的研究國內外正處于探索之中。2.2分子標記輔助回轉選擇利用分子標記可以有效追蹤目標基因和確定輪回親本的恢復程度。Hospital等利用BC6群體首次研究了標記密度對輪回親本基因組恢復度的影響,并指出每100cM有2~3個標記就足以控制輪回親本的遺傳背景。Frisch等研究了不同標記輔助回交育種策略下導入供體親本中的一個和兩個基因所需要的標記數,建議用較小的群體來產生BC1代,而在隨后的高世代回交中擴大群體規模。Frisch和Melchinger提出了回交育種中如何預測選擇響應,如何選擇育種潛力高的個體進行下一代回交或自交等一般理論。Prigge等研究了隨著回交世代的遞進逐步加密分子標記對不同回交策略下所需標記數和輪回親本基因組恢復率的影響,并提出了輪回親本基因組恢復率達到93%~98%所需標記最少的最優育種策略。輪回選擇是進行群體改良的一種重要育種方法,廣泛應用于數量性狀基因的改良,它以遺傳基礎豐富的群體為基礎,經過周期性異交和選擇,不斷打破基因間不利連鎖,聚合不同位點上的有利基因。分子標記輔助輪回選擇(MARS)是指在雙親產生的F2或加倍單倍體群體中利用表型(既可以是自身表現,也可以是測交后代表現)與基因型,通過QTL作圖選擇顯著性的標記,預測其效應,進行分子標記輔助選擇,在接下來的2~4個世代中僅利用預測的標記效應來選擇優良單株并隨機交配開展群體改良。一般認為,MARS對于選擇較少基因控制的性狀是有效的,對于較大基因控制的性狀來講,特別在使用較小的預測群體時,MARS的效率較低,甚至低于表型選擇的效率,降低模型的顯著性閾值和使用較大的預測群體可以提高MARS的效率。近兩年來,標記輔助輪回選擇有很快被全基因組選擇取代的趨勢。2.3標記的遺傳效應效應對全基因組選擇的影響在改良多基因控制的復雜性狀時,分子標記輔助選擇(MAS)和MARS都存在兩方面的缺陷,一是后代群體的選擇建立在QTL定位基礎之上,而基于雙親的QTL定位結果有時不具有普遍性,QTL定位研究的結果不能很好的應用于育種研究中去;二是重要農藝性狀多由多個微效基因控制,缺少合適的統計方法和育種策略將這些數量基因位點有效應用于數量性狀的改良。Meuwissen等提出了全基因組選擇(genomicselection,GS)這一育種策略,GS是在高密度分子標記的情況下,利用遍布全基因組的全部分子標記數據或單倍型數據及起始訓練群體中每個樣本的表型數據來建立預測模型,估計每個標記的遺傳效應,而在后續的育種群體中利用每個標記的遺傳效應預測個體的全基因組育種值,根據預測的全基因組育種值選擇優良后代[55,56,57,58,59,60]。自2001年GS提出以來,人們對GS與其他選擇方法如表型選擇和MARS的相對功效、如何利用高密度分子標記準確預測個體或家系的育種值進行了大量研究[50,51,54,56,58,59]。相對于MARS中僅利用少量顯著性標記進行表型的預測和選擇優良單株的育種方法,GS的優點是利用遍布全基因組的高密度分子標記,即使微效QTL也能找到與其處于連鎖不平衡狀態下的標記,將這些能夠解釋幾乎所有遺傳變異的所有標記位點都考慮進預測模型,避免標記效應的有偏估計,更好地利用大量遺傳效應值較小的QTL。模擬研究結果表明GS的預測精確性可以通過加密標記密度來實現,GS的年平均選擇效率高于MARS和表型選擇,單位遺傳進度的花費低于MARS和表型選擇,GS的選擇標準是育種值而不是個體本身的表現型,因此選擇更為準確。全基因組選擇首先在動物育種中提出并得以應用,其優點是通過遍布全基因組的高密度分子圖譜尋找幾乎與所有基因處于連鎖不平衡狀態下的標記,有效地避免一般回歸模型對標記效應的有偏估計,更好地利用效應較小的QTL。此外,全基因組選擇的優勢還體現在其加速了育種進程,從而提高年度遺傳進度,相對于傳統選擇來說,全基因組選擇每一輪選擇的遺傳進度并不高,但是在后續的育種群體中只進行基因型鑒定,不進行表型鑒定,縮短了每一輪的育種周期,使得年平均遺傳進度高于傳統育種,在動物育種中已經證明全基因組選擇的年平均遺傳進度是傳統育種的2倍。目前,表型鑒定仍很昂貴,而基因型的鑒定變得越來越容易,全基因組選擇的優勢還體現了降低單位遺傳進度的花費,因為在整個育種周期中,只有起始訓練群體需要同時進行基因型和表型的鑒定,由于后續的育種群體中只需要測定基因型,大大減少了表型測定的樣本量,降低了全育種周期的花費。GS在動物育種中的應用表明,自從將全基因組選擇策略引入到奶牛育種中以后,奶牛育種公司的花費就降低了將近90%。植物育種模擬研究也有類似的結果,全基因組選擇策略的遺傳進度高于傳統表型選擇4%~25%,單位遺傳進度的花費低于傳統育種26%~65%。3利用計算機的應用,實現作物育種試驗的設計和開展作物分子設計育種以表型組學、基因組學和蛋白組學等若干個數據庫為基礎,以生物信息學為平臺,綜合作物育種學流程中的作物遺傳、生理、生化、栽培、生物統計等所有學科的有用信息,根據具體作物的育種目標和生長環境,在計算機上設計最佳育種方案,然后開展作物育種試驗的分子育種方法(圖1)。作物分子設計育種是一個高度綜合的新興研究領域,最終將實現育種性狀基因信息的規模化挖掘、遺傳材料基因型的高通量化鑒定、親本選配和后代選擇的科學化實施、育種目標性狀的工程化鑒定,對未來作物育種理論和技術發展將產生深遠的影響。3.1基因組學和基因組織的數據庫的研究新一代測序技術將基因組學水平的研究帶入了一個全新時期,商業化的平臺、高通量的數據、低廉的價格以及簡易的樣品前處理過程,基因組測序或重測序以及基因組水平的數據分析研究將成為一項常規實驗室工作,為大規模挖掘育種性狀的基因信息和開展分子設計育種提供新的契機。通過新型基因芯片的設計開發,將顯著降低全基因組范圍內的基因型檢測成本,通過對育種材料的全基因組測序,經序列裝配、比對,利用公共參照序列將特定性狀與特定DNA序列結合起來,通過功能性分子標記和材料特異基因芯片的開發,將基礎研究獲得的成果快速應用于分子設計育種中去。3.2通過利用表型選擇和利用資源提高育種效率選擇合適的親本配置雜交組合是育種成敗的關鍵,傳統育種由于缺乏對育種目標性狀遺傳的了解,雜交方案多依據親本材料的表型性狀來確定,因此育種實踐中看似理想的雜交組合往往得不到理想的后代材料。一個常規育種項目一般每年要配置數百甚至上千雜交組合,然而最終只有1%~2%的組合可以選育出符合育種目標的品種,大量的組合在不同世代的選擇過程中被淘汰,傳統育種在很大程度上仍然依賴表型選擇和育種家的經驗,提高育種過程中的可預見性和效率是育種家很久以來的夢想。在充分利用各種遺傳信息和親本信息的基礎上,作物分子設計育種將實現對育種目標性狀的基因型選擇,降低常規育種過程中環境誤差對選擇的干擾。作物分子設計育種決策支持系統將在育種家開展田間試驗之前,利用各種遺傳信息對雜交組合的表現、后代選擇效果以及整個育種過程進行模擬,提出最佳的親本選配、雜交和后代選擇策略,實現親本選配、后代預測和選擇的科學化,提高育種過程中的可預見性和效率,實現育種從目前的“半藝術半科學”到“全科學”的飛躍。3.3遺傳信息的鑒定是有效作物育種的目標性狀大多是數量性狀,受多個基因控制并易于受環境影響,準確的表型鑒定是獲取可靠遺傳信息的基礎。分子設計將建立各種重要育種性狀的表型鑒定平臺,在人工氣候和大田等多種環境條件下大規模、自動化鑒定育種性狀的表現,實現育種目標性狀的工程化鑒定。4推動傳統育種向高效、定向化發展作物分子設計育種是突破傳統育種瓶頸的有效途徑,實現分子設計育種的目標,將會大幅度提高作物育種的理論和技術水平,帶動傳統育種向高效、定向化發展。但是,我國還缺少大規模、高效率的國家級分子設計育種平臺,充分發揮分子設計育種對未來農業生產的貢獻,有待在以下幾個方面加強研究和建設。4.1應用模擬和預測相結合的育種工具預測的準確性決定育種工作的成敗,傳統育種中的親本選配原則、后代選擇方法只是大致預測后代群體的育種價值。分子設計從多層次水平上研究植物體內各成分間的網絡互作行為和在生長發育過程中對環境反應的動力學行為,在計算機平臺上對植物的生長、發育和對外界反應行為進行模擬和預測,根據具體育種目標構建作物品種藍圖。實現這一過程,亟待研究精確的預測方法和模擬工具,然后才能利用發掘的基因信息、核心種質和骨干親本的遺傳信息,結合不同作物的生物學特性及不同生態地區育種目標,對育種過程中各項指標進行模擬優化,預測不同親本雜交后代產生理想基因型和育成優良品種的概率,根據科學的預測開展育種工作。預測方法和模擬工具包括利用各種組學和遺傳學理論,預測基因的功能和基因間的相互關系、預測基因型到表現型途徑;綜合利用自交系系譜、分子標記連鎖圖譜和已知基因信息等遺傳數據,并借助已測試雜交組合的表現來預測未測試雜交組合表現的方法,研制雜交種預測的育種工具,有效發掘未測試雜交組合中的優秀組合;利用數量遺傳和群體遺傳學理論以及傳統育種中積累的數據,預測親本的一般配合力和特殊配合力、以及雜種優勢等。4.2基因型的鑒定和遺傳育種作物的生長離不開環境,環境定義為影響一個基因型表現的一組非遺傳因素,這些非遺傳因素可分為非生物因素和生物因素,非生物因素如土壤的物理和化學特性、氣候因子(如光照,降雨量和溫度)等,生物因素包含害蟲、病原體、線蟲和雜草等這樣定義的環境又稱宏環境。與宏環境對應的還有微環境,微環境定義為單個植株或小區的生長環境。基因型和環境互作研究中一般指的是宏環境微環境的效應一般視為隨機誤差效應,宏環境可以是不同的栽培方式、地點和年份,也可以是不同的栽培方式、地點和年份的組合。作物育種的目標性狀大多存在基因和環境間的互作,表型鑒定是研究基因和環境間互作的基礎,隨著生物技術的發展,基因型的鑒定不再是遺傳研究的限制性因素,對各類育種性狀大規模、準確的表型鑒定成為最大挑戰亟待開展各種重要農作物的表型組學研究。基因和環境的互作研究建立在植物生理、遺傳、病理和育種等學科的基礎之上,互作研究有利于了解基因型到表型的生物機制和途徑、認識作物對環境適應性的規律、鑒定特定環境下表達的新基因、鑒定對作物生長和發育起關鍵作用的環境