我国蔬菜育种技术发展与展望

于拴仓，苏同兵

（北京市农林科学院蔬菜研究所，北京 100097)

蔬菜是典型的“小作物，大产业”，已成为我国的第一大种植业。蔬菜产业占用10%的农业土地，贡献了种植业近40%的产值，在我国农村经济发展、城乡劳动力就业和国际农产品贸易平衡中占有不可替代的重要地位。种业作为蔬菜产业的源头，对蔬菜产业科技进步的贡献率约占40%。

19世纪中叶，孟德尔遗传学说的问世敲开了现代育种的大门，促进了以有性杂交创造遗传变异为主要特征的育种技术革命，结束了人们主要利用自然变异改良品种的漫长历史，步入了杂交育种的发展轨道。与世界发达国家类似，我国蔬菜育种的发展也经历了人工驯化选择、提纯复壮、常规育种、杂交育种、分子育种等重要发展阶段，真正用遗传育种理论进行品种改良是新中国成立以后才逐步发展起来的，尽管发展历史很短，但恰逢生物育种的快速发展阶段，通过“跟踪”和集成创新，近年来我国蔬菜育种技术研发也取得了举世瞩目的成就，杂种优势利用方面也已进入国际先进行列。

我国是世界上最早使用新一代测序技术开展蔬菜基因组研究的国家，先后绘制完成了黄瓜、番茄、西瓜、大白菜、甘蓝等蔬菜作物的全基因组序列图谱和变异图谱，在主要蔬菜高通量分子标记辅助育种和基因编辑技术研发方面也处于世界先进水平；但是，我国在蔬菜基因组育种应用和各类前沿育种技术创新性、集成性、系统性、规范性以及检测效率上与发达国家存在较大差距，特别是应用规模上与发达国家至少存在5年差距。突破全基因组选择、基因编辑、单倍体育种技术等为核心的分子育种关键技术并综合应用于原始性种质创新将是蔬菜育种能否取得重大突破的关键。

我国蔬菜育种技术发展简史

蔬菜的自然选择和人工驯化

史前人们就以各种方式不断地寻求能有效满足人们需求的蔬菜种类或品种。我国最早的词典《尔雅》将蔬定义为“凡草可食者，通名为蔬”，明代李时珍《本草纲目》（1590年）将菜定义为“凡草木之可茹者谓之菜”。最早的蔬菜是先民“尝草别谷”而来，也就是从野菜中经过选择和驯化出来的。据统计，《诗经》（公元前11世纪至前6世纪）中记载的蔬菜仅10余种，秦汉时就增加到20多种，南北朝时《齐民要术》(公元 532 年）中达30余种，唐代《四时纂要》（10世纪的中后期）记载36种，明代《农政全书》（16世纪末）中记载47种，到了清代，吴其浚《植物名实图考》（1848）中食用蔬菜达到80余种。蔬菜种类和品种的不断丰富主要归功于古人不断的人工选择。

古文献中记载了许多蔬菜选择育种的宝贵经验。人们根据食用的要求和农作物类型的不同特性，有意识地进行定向选择。西汉汜胜之所著《汜胜之书》（公元前1世纪）是中国现存最早的一部农学专著，第一次记述了穗选技术和种子保藏的技术，如种瓠要求“收种子须大者”。北魏贾思勰的《齐民要术》（公元532年）中，已有种子混杂害处的论述，有瓜类留种、检验韭菜种子生活力方法等记载。魏晋南北朝时期，栽培蔬菜在长期栽培过程中经过定向选择，形成了新的变种，如从甜瓜中分化出了新变种越瓜（菜瓜）。在先秦时代，十字花科蔬菜往往被统称为葑，后来逐步分化为蔓菁、芥和芦菔（即萝卜），其中蔓菁在长期的栽培选择过程中形成了菘。这些记载奠定了我国传统选种和良种繁育的基础。

蔬菜新类型、新品种的引种

我国是世界园艺作物的8大起源地之一，但目前我国人民食用的大部分蔬菜起源于国外。查阅历史文献发现，我国引进蔬菜主要经历了3条路线：第1条是从印度和南洋群岛引进，主要蔬菜有生姜、冬瓜、茄子、丝瓜、苦瓜等；第2条是经“丝绸之路”从中亚和中东地区引入了菠菜、蚕豆、豌豆、瓠瓜、扁豆、西瓜、甜瓜、黄瓜、胡萝卜、大蒜、大葱、芹菜和芫荽等蔬菜；第3条是明清时期由海路引进，主要蔬菜有菜豆、南瓜、西葫芦、笋瓜、辣椒、马铃薯、番茄、甘蓝、结球生菜和洋葱等。如南瓜首见于《本草纲目》（1590年）。番茄于明万历年间（1573—1620年）传入中国，其最早的记载见于朱国祯《涌幢小品》（17世纪前期）和王象晋（1621年）所著的《群芳谱》。

蔬菜资源搜集整理与提纯复壮

20世纪60年代以前，主要进行地方品种的调查发掘、搜集、整理、提纯复壮及国内外优良品种的引种研究，是中国蔬菜育种工作的起步阶段。新中国成立初期，生产上采用的蔬菜品种主要是地方农家品种。由于留种技术的限制，造成种子质量不高、数量不足，因而不能满足生产的需要。1955年国家农业部发出“从速调查搜集农家品种”的指示，其间共收集蔬菜地方品种约17 000份。通过选择和提纯复壮，推广了一大批优良的地方品种。

蔬菜常规品种选育阶段

1958年国家农业部提出了我国第一个种子工作方针“四自一辅”，即每个农业社都要自繁、自选、自留和自用，辅之以国家必要调剂。该阶段一些科研单位和高等农业院校通过引种和选择育种等途径为生产提供了大量优良品种。20世纪60年代，我国部分科研单位也开始进行蔬菜杂种优势利用研究，选育和推广了少数杂交一代品种。

蔬菜杂种优势育种阶段

20世纪70年代以来，杂种优势育种已成为主要蔬菜作物最重要的育种途径。各级育种单位在较短的时间内培育出一大批优良甘蓝、白菜和萝卜的自交不亲和系、雄性不育系和雄性不育两用系，番茄和甜椒的雄性不育系及黄瓜的雌性系等，这些材料和品种的育成大大促进了我国蔬菜杂交一代品种种子的大规模商品化生产。杂种一代由于主要经济性状整齐、丰产、抗病、生长速度快、商品性好，在生产上发挥了重要作用。这一时期，部分单位也开展了主要蔬菜作物花药、幼胚及原生质体培养等生物技术研究，花药培养在茄子和辣椒等蔬菜作物上获得突破。

蔬菜抗病育种发展阶段

蔬菜生产中的病害日益严重，致使单产大幅度下降。1983年，国家启动了科技攻关计划，番茄、黄瓜、甜（辣）椒、甘蓝和大白菜5种主要蔬菜作物抗病育种被列入“六五”“七五”国家重点攻关项目，摸清了主要病虫害病原的种群分布、生理小种或株系分化情况，研究制定出主要病害苗期人工接种鉴定的方法和标准，筛选出一批可抗主要病害的抗原材料，育成不少丰产、抗病、抗逆和优质的新品种。杂种优势利用和抗病育种技术在我国蔬菜育种上得到普及，大大提升了我国蔬菜优良杂交种的覆盖率。

蔬菜优质多抗育种阶段

从“八五”攻关开始，优质已列为蔬菜育种的目标之一。蔬菜育种工作取得了较为瞩目的成绩，尤其是在育种理论和育种方法的研究方面有许多重要进展。如在一些主要经济性状的遗传规律、花药和小孢子培养、组织和细胞培养、多倍体诱导、辐射诱变、克服自交不亲和性和远缘杂交困难等方面开展了较为系统的研究；同时，在同工酶技术、DNA分子标记技术和转基因技术方面也开展了较多研究。这一时期培育出的蔬菜新品种，除高产、抗病和抗逆性外，多种品质指标都有非常大的提高。

蔬菜生物技术育种与常规育种结合阶段

2000年《种子法》颁布后，国内蔬菜市场对外资全面开放，国外高端蔬菜种苗的进入，对我国蔬菜育种家而言是挑战也是机遇。科研单位和大学的蔬菜育种研究人员通过学习跟踪跨国公司先进的育种技术和育种理念，不断提升自身的创新能力。在单倍体育种方面进行研究，先后在辣椒、白菜、茄子、甘蓝、萝卜、芥菜和黄瓜的单倍体研究上取得突破，培育了北京桔红心、豫白菜7号等多个蔬菜品种并在生产上推广应用。分子标记研究始于20世纪90年代，利用新一代分子标记技术构建了高密度的白菜、甘蓝、番茄、黄瓜和西瓜等多种蔬菜作物的分子遗传图谱，筛选获得一大批与重要性状的紧密连锁分子标记并成功应用于蔬菜育种。随着基因组学研究的飞速发展，新一代基因组测序技术相继得到大规模应用。尽管我国蔬菜生物技术的研究起步较晚，但亦在细胞工程、基因工程、分子生物学等相关领域做了大量工作，不断缩小了与国际先进水平的差距。

我国蔬菜生物技术育种发展现状与主要成就

随着生物技术的快速发展，蔬菜育种技术取得了长足进步。1934年，番茄的离体培养首次获得成功，宣告植物组织培养技术诞生。同一时期发展起来的单倍体技术发展更为迅猛，被认为是植物育种技术的“黑马”。1980年，Botesin提出限制性片段长度多态性可以作为遗传标记，开创了直接应用DNA多态性的新阶段；1986年，Bernatky和Tanksley构建了世界上第一张蔬菜作物番茄的分子标记连锁图谱。此后，蔬菜作物的分子标记研究变得异常活跃，在种质资源鉴定、优异基因挖掘和辅助育种上展现了无与伦比的优势。2000年，第一个模式植物拟南芥基因组在《Nature》上发表，各种“组学”技术的发展使得规模化标记开发和全基因组功能基因挖掘成为可能。尽管我国蔬菜育种的历史很短，但恰逢生物技术的快速发展阶段，通过“跟踪”和集成创新，近年来在蔬菜生物技术育种方面也取得了举世瞩目的成就。

完成了主要蔬菜的基因组测序

2009年，我国科学家主持完成了世界上第一个蔬菜作物——黄瓜全基因组的测序和分析。目前测序的蔬菜作物已超过50多种，其中我国科学家主导完成了黄瓜、西瓜、番茄、白菜、甘蓝、芥菜、辣椒、茄子、菠菜、南瓜、冬瓜、丝瓜、苦瓜和芹菜等主要蔬菜的基因组测序，发现了作物驯化和种群分化的遗传基础。在此基础上，通过规模化重测序，建立了蔬菜作物变异组数据库，揭示了白菜和甘蓝类蔬菜抱球和根茎膨大、西甜瓜的“甜蜜基因”、黄瓜苦味、番茄风味物质驯化的分子机制。相关成果在《Nature》《Cell》《Science》《Nature Genetics》等权威学术期刊发表。这些大数据为物种进化、功能基因挖掘、全基因组高通量分子标记开发及各类组学研究提供了全视角、高效的技术方案，奠定了我国在蔬菜基因组研究领域的国际领先优势。

挖掘了控制重要性状的关键基因

利用遗传作图、进化选择分析、全基因组关联分析等挖掘了一批控制抗病、抗逆、品质等重要性状的关键基因，如在白菜中，鉴定了多个控制抽薹开花时间和抗霜霉病的基因；在西瓜中，揭示了控制果实含糖量、瓤色等“甜蜜基因”的遗传调控网络；在黄瓜中，鉴定了控制果长和分枝的功能基因；在番茄中，发掘了决定番茄风味的关键遗传位点，解释了番茄风味变差的原因。这些研究为蔬菜作物分子育种平台的建立提供了基因资源。

高通量分子标记辅助育种平台基本建成

建立以全基因组SNP为基础的全基因组选择技术平台是目前蔬菜育种的核心技术。近年来，我国先后引进20多套SNP高通量分型平台，主要包括Douglas Array Tape和LGC SNPline。北京市农林科学院蔬菜研究所基于LGC平台，在高通量DNA提取、高通量SNP分型、数据分析与管理系统研发等共性关键技术上集成创新；开发了结球白菜、西瓜、黄瓜等主要蔬菜的背景选择与重要抗病优质基因的前景选择标记，构建了国内首个蔬菜高通量分子育种公益服务平台，引领了国内蔬菜育种技术的升级；北京通州国际种业研发中心基于Douglas系统，开发了番茄和西瓜等蔬菜的抗病优质性状选择标记，为国内蔬菜种业企业和育种科研单位提供了技术服务。

基因编辑技术已抢占了制高点

以CRISPR/Cas为代表的基因编辑技术连续突破，为实现精准、高效、省时、省力和安全的农业育种技术革命提供了新契机，也为我国蔬菜作物育种实现弯道超越提供了新的机遇。自2013年基因编辑在甘蓝中成功报道，蔬菜领域的研究论文逐年增长。我国已经在番茄、西瓜、甘蓝和黄瓜等多个作物的基因编辑上率先实现了技术落地。番茄作为模式作物，基因编辑最早取得突破，先后在果色、雄性不育等基因的编辑上取得成功；北京市农林科学院在国际上发表了首篇西瓜基因编辑的研究论文，创制了抗除草剂的西瓜新种质；中国农业科学院蔬菜花卉所在黄瓜基因编辑上取得突破，成功获得了全雌系新种源；最近，大白菜、辣椒及其他蔬菜作物的基因编辑技术也相继取得重要进展。

蔬菜的单倍体技术取得突破

单倍体诱导技术对改良蔬菜品种、加速品种选育进程具有重要意义。我国于1970年开始在单倍体育种方面进行研究，先后在辣椒、白菜、茄子、甘蓝、萝卜、芥菜和黄瓜的单倍体研究上取得突破，其中白菜游离小孢子培养、辣椒花药培养、黄瓜未授粉子房培养等的单倍体诱导技术为我国的首创。以游离小孢子培养、大孢子培养和花药培养为主要手段，向大规模、高通量、流程化生产双单倍体群体的方向发展。

蔬菜品种创制的卡脖子技术及其发展方向

我国蔬菜种业的商业化程度高、进步快，但也带来育种“根基不稳”现象。由于我国绝大多数蔬菜种业企业“小而散”，育种科研单位研究作物种类多、类型丰富，多是“小作坊”和“经验”的育种方式，特别是茄果类和瓜类蔬菜常常采用“短、平、快”的育种方式；而跨国公司育种更多的是建立在“科学”数据分析基础上，规模大、效率高。另一方面，当前国外利用“雄性不育”等设置技术壁垒，限制了有益性状或基因的转育，对我国蔬菜种业原有的“短、平、快”的育种模式造成了极大的冲击，亟待开展蔬菜种源的原始创新。

蔬菜育种实质上是有益基因按设定的目标不断聚合的过程，变异是育种创新的核心，育种过程即包括发现变异、创造变异、选择变异和纯化变异4个重要步骤，任一环节的缺位都会成为育种的“卡脖子”问题。深入挖掘种质资源中蕴含的有益等位基因，突破蔬菜种质资源精准鉴定与深度挖掘、全基因组选择、基因编辑、染色体工程、DH工程化育种等为核心的分子育种关键技术，综合应用于原始性种质创新，将是蔬菜育种取得重大突破及解决我国蔬菜种业“卡脖子”问题的关键。

于功能基因变异位点的高通量精准鉴定技术是“发现变异”和“选择变异”的有效手段

随着基因组学研究的深入，我国蔬菜基础研究的步伐开始加快，分子育种也有了长足的进步。尽管在主要作物中已定位了一批重要性状的QTL或基因，目前克隆的基因还为数不多，育种技术研究多集中于连锁标记而不是基因功能标记的开发，基因型鉴定的精准性和通用性远远达不到辅助育种的要求，更难实现高效的多基因聚合。此外，分子育种技术创新性、集成性、系统性、规范性以及检测效率上与发达国家还存在较大差距，“小作坊式”的育种模式也极大地限制了新技术的广泛普及应用效率。充分挖掘基因组大数据的利用潜力，从全基因组规模化挖掘控制重要性状的功能基因，解析重要性状形成的基因调控网络，从群体遗传、基因组进化、“再进化”等角度，研究建立核心种质的商业化利用途径，基于高通量分子检测技术建立基因型精准鉴定技术体系将是蔬菜育种亟待开展的重要内容。

基于基因编辑技术“创造变异”是弯道赶超的前沿技术

基因编辑技术能够定点编辑基因组来实现基因序列特异性的遗传改造，并可以通过遗传分离等方法获得不含转基因元件的遗传改良株系，对于直接食用的蔬菜作物来讲，具有特殊的意义。我国蔬菜育种专家抓住这一机遇，在西瓜、大白菜、番茄等蔬菜作物的基因编辑上取得了重要突破，在这一技术上处于第一方阵，但离实际应用还有很大的差距。确定合理的目的性状、阐释性状的功能基因和提高编辑效率仍然是分子育种面临的挑战。在技术上必须跟进前沿，向更广泛的纵深发展，不断创制满足蔬菜产业发展需求的抗除草剂、雄性不育、持久抗病、营养强化等新种质，推动蔬菜育种技术跨越式发展。据悉，美国、日本和以色列等国对基因编辑作物品种给予了与常规育种品种同等市场准入条件，这为基因编辑产品的实用化提供了市场化空间。因此，我国相关部门急需在基因编辑育种上明确政策，尽快推进基因编辑成果的全面应用转化，引领我国蔬菜种业创新技术更新换代。

规模化单倍体诱导技术是快速“纯化变异”最有效的解决方案

杂交种选育的关键在于优异自交系的选育速度和质量。基于游离小孢子培养的双单倍体技术是缩短育种年限的有效途径，曾被孟山都公司、先正达公司、瑞克斯旺有限公司等誉为育种技术的“黑马”。尽管该项技术已在部分蔬菜作物中相继取得了突破，但限于基因型限制、诱导率低等技术壁垒，即使在成功率较高的大白菜上也无法大规模应用。近年来，利用CRISPR/Cas9基因编辑突变失活MATL、DMP等基因创造单倍体诱导系，相继在拟南芥、水稻、玉米、小麦、油菜等重要农作物中取得成功，并突破品种的限制，实现了单倍体诱导的规模化和高效化，这也为蔬菜作物的规模化单倍体诱导，实现快速“纯化变异”提供了高效的解决方案。

综合集成高效育种技术并应用于突破性新种质创制是实现高新技术落地的有效途径

育种技术的滞后是目前我国蔬菜种业研发技术与跨国公司相比最大的短板，其关键在于育种的各项技术环节之间缺乏系统、科学、有效的分工协作，造成育种原始创新的储备不足，育成的品种在品质、产量、抗病性等方面难以兼备，更缺乏高产、绿色、营养、安全的突破性新品种。集成各项高效育种技术，建立规模化、流程化、订单式的蔬菜分子育种平台，对于打造蔬菜种业核心引擎、快速缩短与跨国公司的差距具有重要意义。

展望

纵观育种技术发展历程，每一次技术的革新都与基础理论的突破密切相关。近些年，分子生物学、生物信息学、基因组、蛋白组、代谢组等组学理论进展催生了新型生物技术，并正在全面改写蔬菜作物育种的理论与策略。科学家预言，在不久的未来以下几个技术方向将会有新的发展。

第一，QTL-seq、GWAS、多组学和高通量转基因等技术的集成应用将会加速功能基因的克隆，深层次解析基因的遗传效应、基因间以及基因与环境间的互作等信息。

第二，高通量分子标记检测系统和工程化单倍体等技术逐渐成熟，这将会大大提高分子标记辅助育种和聚合育种的速度和精度。

第三，基因编辑技术和纳米转化等技术的集成应用将会促进传统转基因技术的升级和细胞器基因组编辑技术的成熟，加快雄性不育系、雌性系、单性结实、持久抗病、营养强化、自交亲和与自交不亲和系等突破性种质创制。

第四，表型组学、人工智能、育种信息系统等的发展会促进蔬菜育种体系的完善和优化。

总之，随着大量目标性状基因被克隆、基因间互作网络被解析，以及多层次多维度技术集成，科学家可以在实验室内模拟、筛选和优化品种选育过程，实现从传统“经验”育种到设计“精准”育种的转变，极大地提高育种效率。育种理论和技术的发展，特别是基因编辑等前沿技术的突破与规模化应用有望加速行业洗牌，重视研发投入、创新能力强、技术储备丰富的蔬菜育种团队有望获得更强的竞争力，获得更大的市场份额。

结语：种业是农业的“芯片”。良种作为集聚农业科技的重要载体，是带有根本性的生产要素，也是农业发展的内生动力。农业转型，品种先行，品种作为农业生产、农产品供给、种植结构调整的起点，在农业供给侧结构性改革中具有基础性、先导性作用。本刊下期将邀请北京市农林科学院蔬菜研究所张凤兰、李常宝等老师就蔬菜种业发展成效及趋势展开探讨，并以番茄为例介绍蔬菜种业发展情况，敬请关注。