传统的植物遗传育种实践中，研究人员一般通过植物种内的有性杂交进行农艺性状的转移与改良，这类常规育种实践虽然对农业产业的发展起到了很大的推动作用，但存在育种周期长、遗传改良实践效率偏低的缺陷。基于对关键基因或QTLs功能的认识，利用TILLING技术、基因组编辑技术和转基因技术创制优异种质资源（设计元件），根据预先设定的育种目标，选择合适的设计元件，实现分子设计和多基因组装的育种，已经成为国际上引领作物遗传改良进步的最先进技术。由于采用了高效的基因定点改造和转移途径，分子设计育种具有常规育种无可比拟的优点，一旦建立了完善的品种分子设计育种体系，就可以快速地将功能基因组学的研究成果转变成大田作物品种，从而创造巨大的经济效益，为保障国家粮食安全和农业可持续发展、促进作物育种理论和应用研究的创新做出重大贡献^[1]。1 立项背景

我国是一个农业大国，水稻、小麦、鱼等主要农业品种的持续稳定生产对保障我国农业可持续发展具有重大现实和战略意义。多年来，育种科学家培育了大量高产优质品种，为解决13亿人口的吃饭问题做出了巨大贡献。但是，近年来主要农产品的产量和品质都处于徘徊不前的局面，难以满足我国粮食安全的需求。常规育种面临育种周期长、效率低、遗传背景狭窄等瓶颈，而转基因技术主要针对少数单基因控制的性状改良，难以培育针对复杂性状改良的突破性新品种。因此，提高育种科技水平，发展新一代育种理论和技术体系是现代种业发展的迫切需求。

近年，欧、美、澳等国家纷纷出台国家级研究计划，在农业生物技术领域展开竞争。大型跨国公司如孟山都、先锋和先正达等也投巨资开展水稻、玉米、小麦以及猪、牛和主要养殖鱼类等的基因组研究，目的是取得相关基因和关键技术的知识产权。一个基因（技术）就是一个产业，这些新兴产业发展将在未来的农业生物改良中获取巨大的经济效益。我国政府也一直高度重视农业生物技术发展，在多个科技计划的资助下，我国农业生物技术研究获得了较大的发展。但是，我国启动的分子标记辅助育种和动植物转基因专项还局限于单个或2—3个少数基因的遗传改良，不能满足复杂性状分子设计育种目标的需要。

基因组学、系统生物学、计算生物学、合成生物学等新兴学科的发展为解析生物复杂性状的遗传调控网络带来了机遇，也为设计育种技术创新奠定了科学基础。多数农艺（经济）性状受多基因调控，并具有“模块化”特性。因此，“分子模块设计育种创新体系”将为解析分子模块、阐明分子模块耦合理论、实现全基因组水平多模块优化组装、培育新一代设计型超级品种提供系统解决方案。

2010年3月，国务院第105次常务会议审议通过了中科院“创新2020”规划，同意中科院组织实施战略性先导科技专项。为充分发挥分子模块设计育种在保障国家粮食安全和农业科技创新发展中的重要战略作用，2013年4月，中科院党组会审议并通过了“分子模块设计育种创新体系”战略性先导科技专项（简称分子设计育种先导专项）的实施方案和组织管理方案，标志着分子设计育种先导专项正式立项，开启了我国探索基因组育种的新篇章。2 总体目标

分子设计育种先导专项针对我国粮食安全和分子模块设计育种创新体系建立的重大需求，以水稻为主，小麦、鲤等为辅，分析鉴定复杂性状的遗传调控网络，解析高产、稳产、优质和高效的分子模块，建立完整的与复杂重要农艺（经济）性状关联的全基因组分子标记体系，设计基于“分子模块辞海”（复杂性状全基因组编码规律）和“多模块耦合理论”的最佳育种路径，实现多分子模块的高效组装和优化，达到多个复杂性状协同改良的设计育种目标，创建新一代超级品种培育的分子设计育种新技术，引领新兴生物种业发展，为保障我国粮食安全提供核心战略支撑。同时，面向专项任务需求，以原有的台站、基地为基础，通过多种合作共建，建成中科院分子育种网络中心和国内外协同创新中心，全面提升中科院育种基地模块育种材料的规模化繁育、加代生产服务功能，实现表型和基因型原位快速、通量测定，培养职业化育种队伍与工程技术人才，充分展示分子模块设计育种成果。

至2020年，以水稻为主，小麦、鲤等为辅，利用野生种、农家品种和主栽（养）品种等种质资源等材料，解析高产、稳产、优质和高效性状的遗传调控网络，获得16—20个（产量提高8%以上）具有重要育种价值的高产、稳产、优质和高效分子模块；获得水稻、小麦、鲤和大豆等12—15个具有重要育种价值的分子模块系统，建成1—2个模块系统互作的计算模拟和功能预测的系统模型，建立模块耦合的生物学效应评价模型，实现8个高产、稳产、优质和高效模块系统的耦合组装；创建我国主要动植物品种升级换代的新技术体系和育种新途径，培育10—15个新一代初级分子模块设计的高产、优质、抗逆、抗病虫动植物新品种（系）；在东北、华北、华东、华中、西南和海南建立6个分子育种基地，覆盖我国主要粮食产区，并辐射全国；加强与国内优势单位在育种领域的合作，实现优势互补，加快分子模块设计育种进程。同时，与国外优势研究所合作，吸纳和聚集创新要素和资源，形成协同创新优势。通过构建合作研究、交流互动、资源互享、协同创新的新模式，集聚和培养一批拔尖创新人才，助力先导专项在分子设计育种研究前沿科学领域保持领先地位，促进先导专项产出重大创新成果，培养职业化育种队伍与工程技术人才。

至2030年，全面解析控制复杂性状的分子调控网络，通过多模块计算模拟和定向设计育种技术实现动植物复杂性状的设计、耦合和组装，完善分子设计育种理论和技术体系，育成高产（产量提高15%—20%）、优质、稳产和高效（养分利用效率提高10%—15%）的分子设计型品种10—15个。3 研究内容

针对我国粮食安全和战略性新兴产业发展的重大需求，以水稻为主，小麦、鲤等为辅，解析高产、优质、稳产、高效性状的分子模块，阐明主要农业生物复杂农艺（经济）性状多基因控制的遗传调控网络及互作效应；基于优良品种的全基因组遗传信息，建立多模块耦合与组装的分子模块设计育种创新体系，培育符合现代农业需示的高产、优质、稳产和高效设计型新品种。根据研究目标将其分为分子模块解析、分子模块系统解析和耦合组装、品种分子设计与培育、分子设计育种基地完善与能力提升4个项目。

（1）分子模块解析。以水稻为主，小麦、鲤等为辅，利用野生材料、农家品种和优良主栽（养）品种等种质资源，综合运用各种组学、系统生物学和计算生物学等手段，解析产量、品质、抗病、耐逆、养分与光能高效利用等重要农艺（经济）性状形成的遗传基础及其调控网络；揭示复杂性状全基因组编码规律；解析并获得高产（产量提高5%—10%）、稳产（损失减少15%—30%）、优质（国标I-II级）和高效（效率提升5%—10%）分子模块，挖掘相关性状的优异等位变异12—15个，获得一批可用于分子设计育种的分子模块。

（2）分子模块系统解析和耦合组装。系统分析鉴定复杂性状调控网络，建立完整的与复杂性状关联的全基因组分子标记体系，设计分子模块体系耦合的最佳路径，计算、模拟分析多分子模块系统耦合的动力学规律及效应。

（3）品种分子设计与培育。针对我国主要农作物及鱼品种存在的主要问题，利用已经获得的高产、优质、抗病、抗逆、抗倒伏等分子模块，将传统育种手段与分子育种手段相结合，以我国主栽（养）品种为底盘品种，配置底盘品种与不同分子模块供体的杂交组合，通过多代连续回交和异地加代繁育，结合基因组重测序等手段进行底盘背景鉴定和目标模块选择，获得一系列初级模块设计品种；将导入有不同分子模块的初级模块设计品种杂交，获得双模块设计品种。在此基础上，将单模块和双模块设计品种作为底盘品种，采用相同的技术路线，获得三模块等更高级模块设计品种。同时，以底盘品种为对照，进行新品种营养成分分析和新品种安全性评价。

（4）分子设计育种基地完善与能力提升。围绕专项的任务与目标，选择东北、华北、华东、华中、西南和海南6个核心育种基地的完善与能力提升，实现育种基地的主要功能：分子模块育种材料繁育加代；通量化的表型与基因型分析鉴定；共用、高通量分析检测技术研发；作物与动物野生近缘种、当地农家种、育种新材料的收集与保存；数据与信息的汇总、分析、存储；培育队伍、提升能力。为分子模块解析、分子模块的系统解析和耦合组装、品种分子设计与培育3个项目提供材料、数据、育种服务的支撑。

开展共用通量技术研发，包括作物全生育期、高通量、无损表型分析技术、基于下一代测序技术的高通量基因型分析技术、作物种子激光切削与DNA快速提取技术、种质资源条码溯源与数据库建设。

开展协同创新中心建设，以与中科院有长期合作关系的国内、国外优势单位为对象，合作建设国际和国内分子育种协同创新中心。4 专项进展

目前分子设计育种先导专项已建立起从分子模块解析、分子模块系统解析和耦合组装到品种分子设计与培育与育种基地完善的完整链条，各项目按计划推进，高产、稳产、优质和高效分子模块解析和耦合新品系的培育研究取得了阶段成果，育种基地与配套设施（技术）建设进展顺利。

（1）分子模块解析。通过遗传资源材料的评价，获得了108份高产优质稳产高效的优异模块供体材料。初步解析了13个水稻的分子模块，包括水稻高产分子模块dep5、dep6、GS8.1、GS8.2、NPT1和NPT2等，抗稻瘟病分子模块Pizs，抗纹枯病分子模块RSR1，耐冷分子模块P204、A170V和S229N以及氮高效利用分子模块Chr1和ARE1等。

（2）分子模块系统解析和耦合组装。通过对302份代表性大豆种质深度重测序发现大豆在驯化和改良过程中遗传多态性明显降低，揭示了大豆育种中的选择瓶颈效应；进而通过基因组分析，在驯化阶段鉴定出121个强选择信号，在品种改良阶段鉴定出109个强选择信号；通过全基因组关联分析并整合前人QTLs分析，发现很多选择信号和油相关性状有关，说明大豆产油性状受人工选择较多，形成复杂的网络系统共同调控油的代谢，从而引起不同种质油相关性状的变异（图 1和2）。研究还定位了一系列重要农艺性状的调控位点，明确了一些基因在区域化选择中的作用，如控制花周期的E1，控制生长习性的Dt1，控制绒毛颜色的T等。为大豆重要农艺性状调控网络的研究奠定了重要基础。该成果发表在Nature Biotechnolo-gy上（DOI:10.1038/nbt.3096）。

图 1 代表性大豆种质在驯化和改良中的遗传多样性变化 （a）302份代表性大豆种质。（b）在驯化和改良中的遗传多样性

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图 2 大豆驯化改良位点和相关性状 a 大豆驯化（从野生到农家种）选择信号和所对应的相关性状。b和c油含 量分子模块系统。d 种子大小分子模块系统。e 生长习性分子模块系统。f 大 豆改良（从农家种到栽培品种）选择信号和所对应的相关性状。g种皮颜色分 子模块系统。h绒毛形态分子模块系统

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（3）品种分子设计与培育。对东北稻区及长江中下游粳稻主栽品种进行了系统研究，明确这些主栽品种在产量、品质、抗病性等方面所遗缺的分子模块。在东北稻区，以空育131、稻花香2号、吉粳88、盐丰47等为底盘品种，分别导入稻瘟病抗性、优良株型、香味和低直链淀粉含量等分子模块，以弥补这些主栽品种所遗缺的分子模块。共获得了1000多份抗稻瘟病、香味和长粒性状多模块聚合材料。2014年有13个新品系参加国家北方水稻、黑龙江省和吉林省预试与区试，并有6个水稻新品系进入下一轮区试试验。2015年将新增10个新品系参加东北地区品种试验。在长江下游稻区，主要以武育粳30号为底盘品种，通过导入优良WX基因等位变异和穗型基因模块，改良其稻米品质和灌浆充实度。并以嘉恢193等恢复系为底盘品种，导入理想株型基因IPA1和不同抗性基因的分子模块，获得了2000多份育种中间材料，育成25个含有改良目标模块的优良新品系（图 3和4）。2014年有4个新品系参加南方稻区国家及不同省市新品种预试或区试，并通过当年试验，进入下一轮区试试验，2015年将继续推荐4个新品系参加南方稻区的预试和区试。

图 3 导入IPA1基因分子模块的水稻新品系

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图 4 空育131聚合抗稻瘟病和长粒基因模块的稳定系

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（4）分子设计育种基地完善与能力提升。按目标作物和动物，启动东北、华北、华东、华中、西南和海南6个分子育种基地设施设备完善，累计扩租土地165亩，完成了土地平整及灌溉设施升级改造1200亩，年繁育水稻等作物株系组合能力达150万份，年鉴定耐盐小麦株系达1000个、玉米株系2100个，水稻耐盐碱性鉴定达200份，小麦育种材料条锈病抗性年鉴定能力达5600份；小麦年度夏繁加代能力达13000份；家猪基地年繁育实验用猪能力达3000头以上，草鱼亲子鉴定年度可达1万尾，鲤亲本表型鉴定达500尾以上。作物种子半低温超干储存能力（储存期>10年）达5000份，种子室温干燥储存能力（存储期>4年）达5万份以上。研发无损表型分析技术1套、种子切削取样技术1套、种质条码溯源编码技术1套,在育种基地原地繁育、鉴定、通量化表型与基因型鉴定平台和通用技术研发方面取得阶段性成果。5 发展展望

分子设计育种先导专项的组织实施标志着我国育种事业进入了基因组育种新的发展阶段，将开启我国设计育种的新篇章。分子设计育种专项立项实施以来的进展表明，各项研究任务有望取得预期成果：水稻复杂性状全基因组编码规律、多模块非线性耦合理论、分子模块设计育种技术等方面取得重大科学发现或突破，建立分子设计育种的技术体系，为未来5年乃至更长时间育种科学的发展做好了技术准备、奠定了快速发展基础。5.1 “分子模块辞海”：水稻复杂性状全基因组编码规律

传统常规育种方法是建立在有性杂交的基础上，通过遗传重组和表型选择进行品种培育。然而常规育种中优良基因叠加依赖表型判断，选择正确率低且易受环境因素影响，利用常规育种技术已经很难育成突破性新品种。分子标记辅助育种实现了由表型选择到基因型选择的过渡，可以有效提高目标性状改良的效率和准确性，在农业生物遗传育种中逐步得到广泛应用。高产、稳产、优质和高效等重要农艺性状大都是由多基因控制的复杂性状，而且其基因调控网络常呈现“模块化”的特性。分子模块是指由主效基因及其互作的多基因调控网络组合并可进行遗传操作的功能单元，作为一个整体负责相关模块功能的发挥与目标性状的形成。因此，发掘和解析控制农作物复杂性状形成的分子模块并将它们有效地耦合，是实现农作物复杂性状分子改良的基础，所形成的技术体系将成为品种分子设计理论的源头创新。

基因组学、系统生物学和计算生物学等新兴学科的快速发展，以及大量分子标记技术的开发与应用，使复杂性状的遗传结构和功能解析成为可能。分子模块育种体系项目通过基因组测序、全基因组关联分析等多种组学手段，发掘和鉴定水稻高产、稳产、优质、高效等的遗传调控网络，揭示复杂性状形成的分子模块基础，首次系统解析和获得水稻复杂性状的分子模块，并在相同遗传背景下检测其生物学效应，阐明基因型-表型的对应关系，并最终编纂成对水稻乃至其他禾谷类等育种改良具指导意义的基于网络开放式的、最权威的数据库集成（图 5）。

图 5 “分子模块辞海”：水稻复杂性状全基因组编码规律

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分子模块系统解析为研究水稻起源、演化和培育分子设计新品种奠定基础，对于深入了解复杂性状形成的分子机制，引领该领域基础及应用基础研究都具有划时代意义，将使水稻育种提升到知悉全基因组序列基础上，目的性极为明确的单一性状或多个性状、主效和微效基因的有效聚合，实现生物技术育种史上的重大跨越。5.2 多模块非线性耦合理论

作物重要农艺性状（如产量、品质、抗逆性、营养高效吸收转运等）的复杂遗传调控网络使得常规育种难以取得突破性进展。农艺性状遗传调控网络复杂性主要体现在两个层次：（1）其受到多基因控制，各个性状的分子遗传调控网络呈现“分子模块系统”特征；（2）“分子模块系统”在生物体中并非独立行使功能，它们之间存在着复杂的互作关系。由此可见，只有在系统解析复杂性状的分子模块系统的基础上，明确各“分子模块系统”的互作关系，才可最大限度发挥育种的潜力。

该专项通过基因组、转录组、代谢组、表型组、表观组等多种组学分析，解析复杂性状的分子模块系统，明确各个复杂性状分子模块内部元件的组成，在此基础上采用计算生物学手段，发展包括代谢调控、物质运输与分配、器官形成、生长发育及作物与环境互作等多个过程的理论模型，建立模型参数与分子模块间的函数对应关系，在细胞、组织、器官、个体及至群体等多层次对各个分子模块元件之间的互作关系及其对不同性状的影响进行系统分析。

利用模型，根据各分子模块元件在自然群体中的单倍体型组合及分子模块信息，模拟计算不同分子模块在单个复杂性状形成以及不同复杂性状相互影响中的耦合效应：（1）明确控制单一复杂性状的主效模块、微效模块；（2）解析单一复杂性状中主效模块与主效模块、主效模块与微效模块、微效模块与微效模块间的复杂互作关系（如显性、叠加、上位、拮抗等效应），及其在该性状形成中的决定性作用；（3）模块及模块间相互作用对于系统特定性状的影响；（4）解析不同复杂性状形成中主效模块与微效模块的互作关系，阐明各模块在不同复杂性状形成的动态效应及控制不同复杂性状各个主效模块对其他性状形成的效应等，从而揭示“一因多效”及“多因一效”的分子机制，进而为在作物多性状系统水平上的优化提供理论基础。

然后，通过杂交组合群体（如重组自交系、近等基因系、单片段替换系等），找出遗传背景一致、只有特定分子模块元件及其组合进行替代的多个个体，对上述的分子模块元件在单个复杂性状形成以及不同复杂性状相互影响中的耦合效应进行验证，在此基础上进一步调整多模块耦合效应模型建立中的各个参数和函数，经过循环调整，最终建立“多模块非线性耦合理论”（图 6）。

图 6 多模块非线性耦合理论

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该理论关键参数与其对应分子模块间的函数关系可明确多分子模块互作对复杂性状的综合调控潜力。该理论的建立是从“分子模块辞海”到实现“全基因组导航”分子模块设计育种的理论桥梁和基础，可指导将分散在不同品种中的优势基因，通过传统回交、复交、杂交等技术聚合到同一个体中，在分离世代中通过分子标记选择含有多个分子模块的个体，从中再选出具有优秀生产性状的个体，最终实现有利分子模块的组装，达到优化性状的目标。5.3 “全基因组导航”分子模块设计育种技术

常规育种技术是将两个或多个亲本之间进行有性杂交，并经过连续自交和回交，在其后代群体中，根据田间生长表现筛选优良单株，繁殖成株系，经过连续多年、多点的比较试验，确定优良品系参加品种审定部门组织的品比试验，最终审定成为新品种。由于杂交后代群体中，不同单株的基因型种类和数量非常复杂而庞大，育种家往往在杂交的低世代就开始选择其心目中的理想个体。这种仅依赖表型的选择，往往会导致许多优良基因型个体不能进入育种家的视野而遭淘汰。同时，由于优良基因型往往分布于众多亲本材料中，仅选择少数几个亲本进行杂交，最终将大多数优良基因型聚合到同一品种中则几乎无法实现。这就是长期以来常规育种技术难以获得重大突破的技术瓶颈，如果不从根本上改变现行的育种策略，寻找高效而科学的育种方法，已很难改变现有品种生产潜力长期停滞不前的局面，育成有品质的突破的优良品种。

“分子模块导航育种”是一种全新的育种技术（图 7），专门为解决常规育种技术瓶颈而设计产生的。通过“分子模块导航育种”，可以让育种科学家从一个庞大育种群体中，高效而又有针对性地选择最理想基因型个体，并最终塑造成理想的推广品种。“分子模块导航育种”将第一次系统地描述和建立分子模块设计育种理论体系，通过对已有基因组进行扫描检测，从而获得基因组的海量信息。利用这些信息并结合云计算技术，构建一门新的育种理论和技术。通过它可以快速、准确地预测杂交群体中哪一个体是聚合众多优良基因型的个体。同时也可以根据育种科学家的需要，高效预测现有推广品种中所遗缺或者需要改良的基因型组合，为育种科学家培育理想品种提供最佳育种策略和方案。

图 7 “全基因组导航”分子模块育种技术示意图

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然而，这一切都必须建立在系统性的结构与功能基因组研究成果之上。水稻是目前基因组及分子生物学研究最为成功的粮食作物，也正是如此，在水稻上开展基因组分子设计育种的时机已日渐成熟，相关研究也已在世界范围内广泛展开，并取得了一系列成果。在日本，品种“越光”是一个非常优秀的粳稻品种，但在长期推广和种植过程中，该品种逐渐表现出诸多不足而影响其更大面积的推广。育种科学家利用分子改良手段，对越光进行了不同性状的遗传改良。通过改良其抗倒伏性育成了“越光筑波”和“越光”H4号，改良产量育成了“越光”H2号，而同时改良多个性状育成“越光籽”1号—11号等不同品种。

可以预期“分子模块导航育种”的成果将远远超过20世纪60年代半矮秆基因利用所带来的“绿色革命”，它是整合20世纪末获得迅猛发展的计算机技术、基因组技术、分子生物学技术及合成生物学技术等众多重大研究成果，并将成为分子育种研究的最终目标和出口。

专项提出的分子模块育种技术体系正是为实现我国育种技术发展重大需求和导向而努力探索的新型育种技术体系。由于复杂性状是基因与基因、基因与环境互作的产物，综合运用分子生物学、基因组学和系统生物学等前沿生物学研究的最新成果，对控制农业生物复杂性状的重要基因及其等位变异进行功能研究，解析功能基因及其调控网络的可遗传操作的功能单元，即分子模块；采用计算生物学和合成生物学等手段将这些模块有机耦合，开展理论模拟和功能预测，系统地发掘分子模块互作对复杂性状的综合调控潜力；实现模块耦合与遗传背景及区域环境三者的有机协调统一，发挥分子模块群对复杂性状最佳的非线性叠加效应，有效实现复杂性状的定向改良。因此，分子模块设计育种是一项前瞻性、战略性研究，是生命科学前沿科学问题与育种实践的有机结合，为引领未来生物技术发展带来了新的契机。