【育种MBA】0002 从遗传率的定义看育种中的环境控制及其重要性
2021-10-29
本期导读
Heritability：遗传力还是遗传率？
遗传率的相对性 vs 环境控制的重要性
成功的育种家首先应该成为合格的农学家
具有农学背景的优秀中国育种家
基因组选择 vs 表型选择
在[育种MBA]专栏的开篇公众号 “育种家的成功秘诀”一文中，我们介绍了美国大豆育种家Boerma博士的“成功植物育种家所领悟的十件大事”：
【育种MBA】植物育种家的成功秘诀
https://mp.weixin.qq.com/s/jf1dLuwbPG1CAMVrOopVmQ
其中几条涉及到环境及其控制：
Uniform plots strength the association between phenotype and genotype: laying out an experiment without first visiting the field is a fundamental indiscretion (be good agronomist) 整齐一致的小区可以增强表型和基因型之间的关联：不事先访问大田而进行试验设置是根本性的轻率
Selection is effective in non-stress environments because they are reproducible; selection is also successful in reproducible stress environments, but not irreproducible ones在无胁迫环境下选择是有效的，因为环境是可重复的；在可重复的胁迫环境下选择也是有效的，反之亦然
Always include check genotypes (often the parents) in breeding experiments and know how you will analyze an experiment before you plant it育种试验必须包括对照基因型（通常是亲本）并在播种前就知道怎样进行试验分析
以上三条秘诀涉及育种和选择过程中的环境和环境控制。本文谈谈环境及其控制在育种和选择中的重要性。我们先从遗传率的概念开始讨论。
Heritability：遗传力还是遗传率？
近代科学技术许多产生于中国以外的地方，而其相关术语都翻译自不同的文字。毫无疑问，Heritability作为一个舶来品，因为其中含有“ability”，很自然地容易把“力”赋与“遗传”，得到迄今仍然广为接受的“遗传力”这个说法。这个名称从翻译本身上讲并不存在什么可以质疑的，“ability” 就是一种“力”。问题出在某些遗传学的教科书中，望文生义地把 “遗传力” 定义为 “性状的传递能力”。比如1979年版全国高等农林院校的“遗传学”教材，其错误定义就误导了改革开放以后第一批农林院校的学子，将性状的转递能力这个概念深深地刻在了脑海里。
在这里不厌其烦地罗列这些细节，只想说明一个问题：heritability所反映的是一个比率，即遗传方差或加性遗传方差占总的表型方差的比率，是某性状遗传中遗传方差或加性遗传方差的所占比率（相对重要性），用百分比表示，而不涉及某种“力”或“能力”。因此把heritability翻译为“遗传率”有助于我们正确认识和理解heritability的含义。
如果我们把性状的heritability翻译为遗传力并定义为某性状的传递能力，对于豌豆的红花与白花、水稻芒的有无这样的质量性状也许是可以解释的，因为豌豆的红花和水稻的芒是可以在杂种后代中消失的（这时红花和有芒的遗传力为100%，而另一相对性状的遗传力为0%）。但对于株高这样的数量性状，遗传力为0 就意味者后代没有株高（个体不存在）了。如果我们把heritability理解为方差或变异的比率，株高的heritability就可以解释为株高变异的传递率，也就是高于或低于群体平均数的那部分变异有多少是受遗传控制、可以传递给下一代的。如果株高的广义遗传率是80%，群体平均数是100cm，群体中不同个体的株高变异范围在90-110cm，那么，这个变异的80% 是由遗传决定的，而剩下的20% 就是由环境决定的。对这样的变异进行选择，后代的表型应该是围绕100cm这个平均数在变异范围内向上或向下波动，波动的方向取决于选择的目标是高秆还是矮秆。
遗传率的相对性 vs 环境控制的重要性
根据遗传率的定义及其计算公式，只要估算出表型变异的方差和遗传变异的方差，就可以估算出广义遗传率。遗传率估计值的高低，取决于遗传方差和环境方差的相对大小，所以遗传率的估值是一个相对值。遗传方差由群体内的遗传变异决定，对于某个群体是固有的、相对稳定的，而环境方差取决于群体性状评价时的环境，会随着环境的改变而发生变化。因此，某个性状的遗传率估值是否稳定，取决于群体所处的环境。对于大多数性状，不同环境下所估算的环境方差的变异要大于遗传方差的变异。当遗传方差一定时，遗传率的估值会随着环境方差的估值而变化的。环境方差越大，遗传率的估值就越低。因此，遗传率是相对的，是因环境而变化的。另外，环境方差大时会增加对遗传方差估算的难度。
遗传率的估算依赖于环境，而环境是随时间和空间而多变的。良好的环境控制是所有育种实验设计的好坏的关键，环境控制的目标就是要最大限度的减少环境变异，最大程度的增加表型变异中遗传变异的比率，进而提高育种选择的准确率，改进遗传增益。
环境控制的主要措施包括：采用长期天气资料获取降雨和光热等信息以确定试验点的合理分布、光温特性并采取相应的管理措施；利用历史试验数据评价试验点和田块的均一性和可靠性；利用土壤信息确定田间的水分和养分状况并进行有效的管理；实施合理有效的田间试验设计和统计分析最大程度剔除环境误差；采取均一的田间管理和农艺措施（播种、施肥、除草、打药等）以降低环境和试验误差。为精确测定影响作物生长发育的各种环境因子，分子育种践行者倡导了环境型和环境型鉴定的概念（Xu 2016. Theor Appl Genet 129: 653–673）, 这对育种中的环境控制具有重要意义，引起国内外同行的广泛关注。
成功的育种家首先应该成为合格的农学家
根据遗传增益（每年能够获得的遗传进展或产量改进）的公式：
R =i r σA/t
可以采取以下途径提高年度遗传进展（Xu et al. 2017. J Exp Bot . 68: 2641–2666）：（1）提高选择强度i （降低入选率，即增大供选群体，减少入选个体数）；（2）创造或增加遗传变异σA（增加有利等位基因频率，通过遗传修饰增加基因重组，通过基因编辑和诱变育种等创造新的变异和等位基因，通过转基因和渐渗育种导入新基因或等位基因。目标性状的遗传变异的育种选择的基础。）；（3）缩短育种周期t（通过DH育种等加快纯合进程；通过创造适宜的高温和超长的光照时间加快生长发育，最大程度缩短种子到种子的时间，或利用幼胚挽救措施提前采收播种）；（4）提高选择的准确率r。在表型选择下，r就是h, 即遗传率开根号，遗传率越高，选择的准确率就越高；在基因组选择下，r就是真实育种值（true breeding value，TBV）与基因组预测育种值 (genomic estimated breeding value，GEBV) 之间的相关，r越大预测和选择就越准确。分子标记可以帮助育种家提高选择的准确性。
“分子育种时代的遗传增益改良” 一文（Xu et al. 2017）， 比较形象地解释了遗传增益（图1）。入选率和表型变异（遗传变异）决定选择差（当选个体的平均数与与原始群体即待改良品种平均数之间的差异）（图1A）。可以通过各种遗传学和基因组学途径来释放和创造遗传变异；而入选率可以通过降低育种成本、改进基因型检定和表现型鉴定的规模和精度来降低。遗传增益在很大程度上由遗传率决定（图1B）。当遗传率等于0时，无法获得任何选择响应（遗传增益），当选个体的后代将回归到原始群体的平均水平；当遗传率等于100%时，可以获得100%的选择响应，所有的选择差都能在后代实现。而在大多数情况下，遗传率介于0和100% 之间，因此选择差只能在下一代部分实现。分子标记辅助选择，包括轮回和全基因组选择，可以提高改良群体中的有利等位基因频率、缩短育种周期，从而改进遗传增益（图1C）。
在上述影响遗传增益的几个变量中，选择强度和育种周期这两个变量取决于特定的育种计划，是相对比较固定的。因此，遗传增益主要取决于可供选择的遗传变异以及选择效率。虽然遗传变异是选择的基础，但大同小异的育种计划所能捕获的遗传变异基本上也是大同小异。因此，除了育种材料和方法所能提供的遗传变异决定了选择进展可能达到的上限之外，主要就是选择的准确率了。在表型选择下，选择的准确率取决于性状的遗传率。
根据我们前面对遗传率的分析，遗传率的大小取决于遗传方差和环境方差的相对大小。而遗传方差具有性状特异性，对于同一群体的某一性状，育种家所能获得的遗传方差估计值是基本一样的。因此，最后决定遗传进展的关键因素就是决定选择准确率的关键因素——环境方差。而环境方差是可以在某种程度上可以通过试验设计和环境控制来减少的，降低环境方差就是减少遗传率估计公式中的分母（而分子中的遗传方差保持不变）。因此，要提高选择准确率，就要通过控制和减少环境方差来提高遗传率的估计值。
控制和减少环境方差是决定育种效率乃至成败的关键，其重要性如何强调也不过分，如果育种家选择的个体的表型主要是优良的环境导致的，那么育种的遗传增量将不复存在。那么如何控制和减少环境方差呢？成功的育种家都有一套成功的做法。首先，育种家要从根本上了解作物的生长发育特性及其环境影响因子，成为作物生理学家。其次，育种家要全面做好田间管理，对保障作物正常生长发育所需的各种农艺措施，包括播种、施肥、除草、打药等高度均一，最大程度的降低或消除人为引入的用统计方法难以去除的环境差异和试验误差，成为高水平的农学家和试验管理员。其三，在良好的试验设计前提下，对试验和育种材料进行合理而有效的评价，取得高质量的数据并对数据进行有效的统计分析，结合尽量多的育种信息做出选择决策。在分工明细的国际跨国种业公司，都配备有专业的作物生理学家、农学家和统计学家，因此育种家在跨国种业公司的地位不再是决定一切的岗位。而对于以表型选择为主的中小种业企业而言，生理学和统计学的作用在很大程度上被忽视，育种学家从根本上决定着育种项目以及公司的成败，而做好育种基地的田间管理并控制整个育种过程的试验误差包括环境方差决定着育种项目的成败。因此，在这类育种机构，成功的育种家，首先应该成为合格的农学家。
具有农学背景的优秀中国育种家
事实上，我国很多成功的育种学家，特别是老一辈的，很多都是农学家或者长期从事过与种植和栽培有关的职业，有些既是育种学家也是农学家。这里根据我们本人的理解和熟悉程度，介绍几位优秀的育种家及其农学背景的影响。部分介绍征求了专家本人的意见，其余的根据网络信息整理。
扎根大地的人民科学家赵洪璋，重视性状形成与生态环境和栽培条件的关系，形成了独特的以精取胜的选择技术，选育出“碧蚂1号”、“碧蚂4号”、“6028”、“丰产3号”、“矮丰3号”、“西农85”等小麦优良品种。赵洪璋认为，作物育种学是一门人工进化的科学，育种方法越贴近、越符合物种自然进化的规律，育种的效果就会越好。他明确提出，应将“作物生态学”作为“作物育种”的基础学科，放在与“遗传学”同等重要的位置。他认为品种是在一定的自然、耕作、栽培和经济综合条件下形成的优良栽培群体，具有时间性、地区性和适应性三个特性。
半矮秆水稻之父黄耀祥，1950年代启用矮生性主基因sd-1，育成了我国第一个杂交矮秆籼稻品种“广场矮”（1959年），引领我国的第一次绿色革命，使我国矮化育种走在世界前列。以矮秆为主体，系统研究了水稻遗传学、生理学、生态学基础与矮秆品种优良性状的关系、理想株型与光合作用的关系，创建了矮化育种、丛化育种、半矮秆超高产育种、半矮秆超高产特优质育种、半矮秆根深超级稻育种等生态育种理论，创造了加快育种进程的“组群筛选”育种方法。育成广场矮、珍珠矮、广陆矮４号、双桂1号、双桂36、桂朝2号、特青2号、胜优2号、七山占、七秀占、胜泰1号等一大批著名高产优质良种，在我国南方稻区大面积推广应用。
玉米细胞遗传和育种家李竞雄，长期致力于植物细胞遗传和玉米育种研究。他在赴美读博之前（1936—1944年），长期从事与作物栽培有关的工作。工作后曾先后兼任北京农业大学作物栽培教研组和遗传教研组主任。1969年秋，戴着资产阶级权威的“桂冠”被学校以教育革命小分队成员的名义派到山西大寨接受再教育，并被要求“为革命”搞玉米育种，其辛勤劳动成果“大单1号”等玉米良种布满了昔阳全县的屹梁和坝地。他是我国利用杂种优势理论选育玉米自交系间杂交种的开创者。育成的多抗性丰产玉米杂交种“中单2号”，1982年全国种植面积达2403万亩，成为当时推广面积最大的玉米杂交种，获国家发明一等奖。经过十几年的努力开拓，育成了赖氨酸和色氨酸含量比“中单2号”高一倍以上的杂交种 “中单206”，以及抗病、高产、适应性广的甜玉米新品种“甜玉4号”。他开拓了我国玉米品质育种、群体改良和基因雄性不育的研究并取得了显著进展。
作物栽培和籼粳杂交育种家杨守仁，八年抗战时期从事调查研究和技术推广，主持过西南五省水稻良种的区域试验，参与了川南地区创建双季稻制度，写成《旱年种稻法纲要》等文章。在美留学期间，提出“田间试验缺区估计新方法”。在三年紧张的学习生活中，他读完了以农艺为主系、植物生理和植物病理为辅系的研究生高级课程，并完成了博士论文《某些气象因素对大麦产量和品质的影响》。杨守仁不仅是水稻栽培学家，也是一位农业推广专家。早年他曾主持“南特号”的大面积推广，参加发展双季稻的开创工作，与李竞雄、周可涌共同主编了第一部高等农业院校统编教材《作物栽培学》。在籼粳杂交育种、理想株形育种、水稻超高产育种三个基础研究领域取得重大成果并育成一大批水稻高产品种，可以堪称将作物栽培学与育种相结合的典范。
农民发明家李登海，被称为“中国紧凑型杂交玉米之父”。1972年，年仅23岁的李登海担任了村农科队队长，尝试要搞亩产1500斤的玉米新品种试验。他自学《遗传育种》和《土壤肥料》等十几种基础理论书籍，整理了二十多项有关育种、栽培、肥料等方面的实验材料。1974年，李登海借去莱阳农学院深造的机会，得到了该院刘恩训副教授从美国自交系选出的基础材料——“XL80”，从此开始玉米育种，常年在田间浇水、施肥、中耕、除虫、授粉、套袋、观察、记录……。历经十七年的艰辛攻关，先后培育“掖单2号”、“掖单8号”、“掖单6号”等高产玉米良种，其中紧凑型玉米 “掖单2号”，创我国春玉米亩产903.6公斤的最高记录。30多年间，先后选育玉米高产新品种80多个，6次开创和刷新了中国夏玉米的高产纪录，“掖单”系列玉米新品种获国家科技进步一等奖。
“玉米团长”赵久然，1986年研究生毕业后，主动到工作条件和生活环境较艰苦的北京市延庆县下乡蹲点搞科研。用6年时间走遍了延庆所有乡镇，在玉米中低产田开发、旱作农业、保护性耕作、高产栽培等多方面积累了丰富经验。在获取栽培技术的同时，认识到优良品种在帮助农民增收中的重要性。在玉米育种实践中，总结提出了"高大严"（高密度，大群体，严选择）的选系方法。“高密度”就是将传统育种从每亩3千多株提高到6千株以上，加大环境胁迫，强化选择压力，增强选育自交系抗逆性；“大群体”则是增大选系群体，实现从“百里挑一”到“万里挑一”，增大选中优良个体的概率；“严选择” 就是严格性状选择标准，并变换不同种植地点，从东北春玉米的主产区吉林，到黄淮海夏玉米的主产区河南，春、夏玉米交汇带的北京，再到南繁育种基地海南以及繁殖制种基地甘肃，从而扩大育种材料对不同生态环境和生产条件的适应性。赵久然率领的团队育成了100多个优良玉米品种并在在生产上大面积示范推广。其中京科968 成为我国连续多年推广面积超过2000万亩累计超过1亿亩的主导大品种，获2020年度国家科技进步二等奖（图2）。
育种和栽培技术专家薛吉全，本科毕业于兰州大学植物生理专业。长期从事玉米遗传育种、玉米生理生态和栽培技术研究工作。将育种和栽培技术研究紧密结合在一起，总结提出了玉米产量形成的“三角形”模型，即玉米产量是由品种特性、栽培技术和生态条件构成的三角形。玉米产量潜力是通过优化的栽培技术和良好品种特性，最大限度适应当地生态条件的能力。为此，确定了以增强玉米适应性为主线的玉米育种思路，重视基因与环境的互作（生态适应性育种），增加育种环境和选择压力，构建了陕A群、陕B群两个杂种优势群，实施多地点、高密度、低氮、干旱的控制措施，开展玉米种质陕A群、陕B群多点多轮联合改良和新组合多环境测试。育成陕单609、陕单650和陕单660等玉米新品种18个。同时在栽培技术方面获得多项省级以上科技成果奖励。
综上所述，我国很多知名的育种家或者在生涯早期曾经是农学家（栽培学家）或长期在育种、农艺、推广等领域身兼多职，对影响作物生产的气候、环境、土壤、适应性等有着深刻的认识和了解，从而能够提供最佳的作物生理生态、田间管理和农艺等措施。同时，有非常明确的育种目标，能够获得育种所需的遗传变异，并创造了一系列行之有效的育种和选择方法。这些著名育种家贯穿始终的共性技术就是规范和优化田间试验和管理，严格控制环境和试验误差，最大限度地提高选择的准确率（图3和图4）。观察不同育种公司和育种家的田间测试和试验基地，可以发现成功育种项目都有一个共同的特点：标准严格的试验设计、均匀一致的田间管理、整齐划一的材料种植、统一规范的评价分析。这些因素合力的重要结果就是最大限度地降低环境变异和试验误差。山东登海种业股份有限公司的试验设计和田间管理是我们见到的最让人震撼的，远超过一般公司，值得育种家们去参观和学习。环境控制包括可控制的非生物逆境。在无胁迫、可重复的环境下选择是有效的；在可重复的胁迫环境下选择也是有效的，反之亦然。不难想象，材料随意乱种（不遵守标准的实验设计和随机原则、不设置重复和对照），田间管理混乱，试验地杂草丛生，灌水、施肥、打药等农事操作不均匀不一致，评价鉴定不规范，就无法将基因型差异导致的遗传变异与环境和试验误差等导致的表型变异区分开来。选择到的所谓“优良个体”很可能就是环境和误差造成的假象。
在分工明确的跨国种业公司，其育种家不再需要是农艺、生理、统计分析等方面的通才，公司会在全球范围的田间测试和评价中实行规范化、标准化的田间管理和操作，育种家可以依赖其他领域专家和计算机网络，获得选择所需的大部分信息，并在决策支持系统的支持下完成选择。然而在缺乏流程化育种支撑系统的中小公司以及发展中国家的公共育种机构，育种选择主要依靠育种家的个人智慧及其所负责的田间管理、测试和评价。
基因组选择 vs 表型选择
在国际跨国种业公司，基因组选择已经成为与常规育种紧密结合的基本育种技术。基因组选择的基本原理是利用训练群体的基因型和表型构建可以根据基因型预测表型的遗传模型。然后利用构建的遗传模型，根据育种群体的基因型去预测育种群体的表型，即基因组估计育种值GEBV。基因组选择的准确率（TBV与GEBV之间的相关系数r）受到很多因素的影响，包括训练群体的大小、训练群体与育种群体的关系、用于分析的遗传标记数目、目标性状的遗传率、训练群体表型鉴定的准确性等。
基因组选择中遗传模型可以随着不同或相同训练群体数据的累积而不断优化，并获得与特定育种群体相对应的最优训练群体。由于遗传模型可以根据不同群体不同环境下的多次表型测定结果进行优化，因而可以对育种群体实现准确的表型预测。相反，在表型选择的情况下，一次表型检测或肉眼所见，其准确性远远赶不上根据大量表型鉴定或肉眼所见所获得的平均结果，因为每次表型鉴定或肉眼所见都是一个围绕基因型值（TBV）上下波动的随机样本。这个随机样本的表型在很大程度上受环境差异和试验误差的影响，因此即便是肉眼所见也不一定能够精准地反映植株的基因型。多年多点的大规模区域试验在很大程度上也是为了通过大量测试和评价来提高选择的准确率。但无论表型鉴定做到如何精准，环境控制如何严格，都无法避免不同季节（年份）和地点的环境变异对表型鉴定的差异性影响。因此从这个意义上讲，建立了优化模型的基因组选择应该优于一时一地的表型选择。同时，由于基因组选择不受环境的影响而且可以在植株生长发育的任何阶段（包括利用播种前的种子DNA）获得GEBV，因而比表型选择具有很多优势。这也是为什么基因组选择已经成为国际跨国种业公司与常规育种完全整合的一项基本育种技术。随着靶向测序液相芯片技术的发展，高密度分子标记的检测成本已经大幅度降到表型鉴定的成本范围（Guo et al. 2021. Plant Communications 2: 100230），完全可以在中小种业公司和公共育种机构建立基因组选择技术体系，以最大限度地替代需要严格环境控制的表型选择技术体系。
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