2025年10月，國際水稻研究所（IRRI）公開發(fā)布了其水稻育種現(xiàn)代化的核心成果——Onerice育種框架，其宣稱該框架已在IRRI及其合作伙伴的育種網(wǎng)絡(luò)中全面落地。那么，今天我們來了解一下這個Onerice育種框架到底是個什么。
01. 背景：遺傳增益低增速育種體系各自為政
IRRI在20世紀(jì)60年代的綠色革命中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其培育的半矮稈品種IR8極大緩解了當(dāng)時的糧食短缺問題。此后，IR36、IR64、IR74等一系列品種在米質(zhì)改良和抗病性提升方面持續(xù)取得突破，Sub1基因的引入則解決了深水稻的完全淹澇耐受問題。這些品種至今仍在南亞、東南亞及東非和南部非洲的農(nóng)田中種植，或作為骨干親本持續(xù)應(yīng)用于育種項目。
然而，最近二十余年間，IRRI水稻育種項目的遺傳增益長期處于較低水平。公開育種體系普遍存在兩難局面——新品種產(chǎn)量徘徊，老品種在農(nóng)民田間長期占據(jù)主導(dǎo)，更新?lián)Q代困難。
過去，IRRI的育種項目按生態(tài)類型和脅迫目標(biāo)分散運(yùn)作，包括灌溉稻、雨養(yǎng)稻、旱稻、耐鹽、耐淹等分支，各有一套獨(dú)立的策略和技術(shù)語言。這種模式導(dǎo)致協(xié)作受限、資源使用碎片化，現(xiàn)代育種工具的應(yīng)用參差不齊，難以系統(tǒng)提升遺傳增益。
正是在這一背景下，IRRI啟動了為期十年以上的育種現(xiàn)代化進(jìn)程，最終形成了目前全面推行的Onerice育種框架。
02. 重新定位育種框架從項目產(chǎn)出導(dǎo)向轉(zhuǎn)向持久增益
育種框架與育種方案是兩個需要區(qū)分但相輔相成的概念。育種框架是整體策略的頂層設(shè)計，規(guī)定了育種項目各組成部分如何整合與運(yùn)行，變化周期較長，類似硬件系統(tǒng)。育種方案則是具體繁殖和選擇流程的動態(tài)安排，隨育種周期持續(xù)優(yōu)化調(diào)整，類似軟件更新。
Onerice框架從市場端出發(fā)，依次覆蓋產(chǎn)品設(shè)計、種質(zhì)創(chuàng)制、早期和晚期測試、種子系統(tǒng)交付等全部環(huán)節(jié)。其核心目標(biāo)是提升遺傳增益速率，其中遺傳增益由群體遺傳標(biāo)準(zhǔn)差、選擇強(qiáng)度、選擇準(zhǔn)確度和周期長度四參數(shù)共同決定，也被成本這一第五參數(shù)所約束。
基于這一定位，框架提出了統(tǒng)一的育種語言和標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)程，并建立了整合式共享服務(wù)平臺（Breeding Operations Unit），涵蓋雜交配制、快速世代推進(jìn)、基因型檢測、田間試驗(yàn)和數(shù)據(jù)管理等環(huán)節(jié)，以規(guī)模化運(yùn)營提升單位成本的產(chǎn)出效率。
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OneRice 育種框架及其相互關(guān)聯(lián)組件的示意圖。左上角展示了市場調(diào)研，捕捉需求和反饋以定義和更新產(chǎn)品概念。右上角展示了發(fā)現(xiàn)育種策略，暗示與常規(guī)育種計劃相連，以部署新的等位基因和單倍型。中間綠色部分體現(xiàn)了基于種群改善的育種方法和主要在國際水稻研究院總部（IRRI-HQ）進(jìn)行的育種計劃。底部藍(lán)色部分表示各地區(qū)高級產(chǎn)品測試及種子系統(tǒng)活動。最右側(cè)的 IRRI 共享服務(wù)部分（橙色）展示了促進(jìn)所有育種活動順暢運(yùn)行的育種運(yùn)營共享服務(wù)單元。左側(cè)豎屏白色框表示產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵階段：產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品測試與推進(jìn)以及產(chǎn)品交付。右側(cè)豎屏白色方框表示參與產(chǎn)品開發(fā)步驟的主要參與者。NARES，國家農(nóng)業(yè)研究與推廣系統(tǒng);RGA，快速發(fā)電推進(jìn);TPE，環(huán)境目標(biāo)人群。
03. 市場細(xì)分驅(qū)動設(shè)計產(chǎn)品概要和目標(biāo)環(huán)境先行
Onerice框架將市場研究作為產(chǎn)品開發(fā)的第一環(huán)節(jié)。通過系統(tǒng)調(diào)研，IRRI劃分出24個市場細(xì)分，目前已有11個細(xì)分領(lǐng)域配置了專門育種管道。
每個市場細(xì)分對應(yīng)一個產(chǎn)品概要，即該細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)新品種必須滿足的性狀指標(biāo)和閾值標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品概要與目標(biāo)環(huán)境群的組合構(gòu)成了育種管道的技術(shù)邊界。目標(biāo)環(huán)境群是指G×E互作最小化的地理區(qū)域，用于最大化預(yù)測準(zhǔn)確性，同時可根據(jù)管理需求適當(dāng)調(diào)整區(qū)域邊界。
在此設(shè)計下，育種不再是漫無目的地篩選好材料。每個管道都明確了對照品種和替換目標(biāo)，新品種必須在特定區(qū)域內(nèi)具備明確且可量化的競爭優(yōu)勢。
市場研究識別出若干個市場細(xì)分，在這些細(xì)分中，特定的水稻產(chǎn)品或品種更受青睞。現(xiàn)有產(chǎn)品的特征稱為產(chǎn)品概況，其種植區(qū)域稱為目標(biāo)環(huán)境群。基于產(chǎn)品概況制定產(chǎn)品概念，作為育種目標(biāo)。產(chǎn)品概念本質(zhì)上是一份需要改良的性狀清單，以有效替換基準(zhǔn)品種。
04. 育種策略的核心閉環(huán)基于GEBV的群體改良
Onerice框架在育種技術(shù)層面采用群體改良策略，即以輪回選擇為核心方法，每一輪從群體中挑選GEBV最高的個體進(jìn)行雜交重組，推動全群體平均值持續(xù)上升。
與早期IRRI頻繁使用農(nóng)家種、供體材料與高產(chǎn)品種雜交的做法不同，新框架嚴(yán)格限制使用精英×精英的雜交策略。歷史數(shù)據(jù)顯示，精英×非精英雜交雖然能引入新變異，但其對群體均值的拉低效應(yīng)遠(yuǎn)超過多樣性帶來的增益。群體中有效群體大小的控制也被納入策略設(shè)計——IRRI灌溉稻項目的Ne值為22，理論上可支撐約22個育種周期，按每周期4年計算可持續(xù)約80年。
1X是Onerice框架中定義的最小育種單元，規(guī)定了從親本數(shù)量、雜交組合數(shù)到各階段篩選規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)。1X管道設(shè)定20個新精英親本和至少30個雜交組合、F?階段每組合240個單株、經(jīng)MAS篩選后F?階段縮減至每組合約40個個體進(jìn)入田間測試，總規(guī)模保持1200份材料并行推進(jìn)。
1X育種方案流程圖。示意OneRice育種框架中采用輪回選擇的群體改良育種方案。每個矩形框表示育種活動步驟及建議數(shù)量。所示方案為3年育種周期，親本基于多環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練群體，在種子擴(kuò)繁階段根據(jù)預(yù)測的基因組估計育種值進(jìn)行輪回。虛線箭頭表示不同育種階段所需的基因型或表型分析活動。低密度基因分型步驟用于10-20個性狀特異性標(biāo)記的標(biāo)記輔助選擇，中密度基因分型使用約1000個全基因組標(biāo)記用于基因組預(yù)測。BLUP，最佳線性無偏預(yù)測；GS，基因組選擇；RGA，快速世代推進(jìn)。
05. 關(guān)鍵技術(shù)工具的組合應(yīng)用RGA、MAS與GS
框架集成了三類核心分子育種工具，分別作用于育種流程的不同節(jié)點(diǎn)。
快速世代推進(jìn)技術(shù)（RGA）使IRRI的育種項目能夠在溫室條件下每年完成3.5至4個世代，將傳統(tǒng)3至4年的家系固定階段壓縮至1年。所有育種管道在F?至F?代均采用單粒傳法進(jìn)行快速推進(jìn)，期間不進(jìn)行表型選擇，僅針對主要質(zhì)量性狀基因進(jìn)行MAS篩選。
MAS被應(yīng)用于F?世代的低密度基因型檢測，篩選2至3個目標(biāo)質(zhì)量性狀基因座陽性的單株，使每組合規(guī)模從240株壓縮至約40株，大幅降低進(jìn)入多環(huán)境測試的材料成本。
GS則是框架實(shí)現(xiàn)早期預(yù)測和縮短周期的重要支撐。所有F?世代的1200份材料均進(jìn)行中密度（約1000個全基因組SNP標(biāo)記）基因型分型。這些基因型數(shù)據(jù)與稀疏測試設(shè)計下獲得的表型數(shù)據(jù)結(jié)合，通過統(tǒng)計模型計算GEBV，用于親本選擇、訓(xùn)練群體優(yōu)化和跨環(huán)境預(yù)測。IRRI是少數(shù)將GS常規(guī)化運(yùn)用于公共水稻育種項目的機(jī)構(gòu)之一。
06. 預(yù)育種的系統(tǒng)化路徑解決優(yōu)異性狀導(dǎo)入難題
產(chǎn)品概要對水稻育種的性狀要求涉及40余項指標(biāo)，包括13種非生物脅迫、16種病蟲害、8項米質(zhì)性狀及3類農(nóng)藝性狀。然而，多數(shù)重要性狀的優(yōu)異等位基因在精英材料中完全缺失或出現(xiàn)頻率極低。例如，Pi9、Pikh、Pi35、Xa21、Xa23、rymv1等抗性基因在IRRI精英群體中完全不存在，約20%的有用基因出現(xiàn)頻率不足15%。
Onerice框架設(shè)計了兩個階段的預(yù)育種路徑來解決這一問題。第一階段為優(yōu)勢性狀導(dǎo)入，通過標(biāo)記輔助回交將目標(biāo)基因精確導(dǎo)入精英背景，要求精英基因組恢復(fù)率超過95%，目標(biāo)基因側(cè)翼重組區(qū)間控制在1cM以內(nèi)以降低連鎖累贅。第二階段為系譜擴(kuò)增，將已導(dǎo)入目標(biāo)基因的精英材料與廣泛類型的精英品系快速雜交擴(kuò)繁，在B?F?階段即產(chǎn)出材料，確保每個育種管道都能獲得適配本地遺傳背景的高價值供體材料。
將主效基因的新等位基因滲入優(yōu)良材料的策略。采用兩階段過程：部署階段，將目標(biāo)位點(diǎn)高質(zhì)量單次滲入優(yōu)良背景。擴(kuò)增階段利用部署產(chǎn)物，快速多樣化含有新基因的優(yōu)良背景。兩者結(jié)合可使新基因在不損失產(chǎn)量或遺傳增益的前提下，在優(yōu)良育種計劃中大規(guī)模部署。
07. 測試體系的標(biāo)準(zhǔn)化與網(wǎng)絡(luò)化合作
Onerice框架徹底改變了IRRI過去主要在總部單點(diǎn)測試的做法，將早期和晚期測試全面遷移到目標(biāo)環(huán)境群內(nèi)，與各國的NARES合作伙伴共同實(shí)施。測試地點(diǎn)覆蓋南亞、東南亞、東非和南部非洲多個國家，采用輪輻式網(wǎng)絡(luò)模式運(yùn)行。
1X管道的早期測試要求不少于6個地點(diǎn)，使用完全或部分重復(fù)的試驗(yàn)設(shè)計，最小小區(qū)面積5平方米，每試驗(yàn)設(shè)置約10個對照材料。稀疏測試設(shè)計下每個地點(diǎn)評估約200份材料，不同地點(diǎn)間材料集部分重疊，多數(shù)材料至少在1個環(huán)境中擁有表型記錄。
一年期數(shù)據(jù)匯總后，通過年度聯(lián)合晉升會議進(jìn)行數(shù)據(jù)評審，依據(jù)GEBV從早期測試中挑選材料回歸為下一輪親本，依據(jù)表型BLUP將表現(xiàn)優(yōu)異者晉升至晚期測試。晚期測試后表現(xiàn)最佳的材料被提名為國家品種試驗(yàn)參試品種。
通過田間試驗(yàn)晉升的產(chǎn)品將進(jìn)入30個以上地點(diǎn)的較大規(guī)模農(nóng)戶試驗(yàn)。新品種對農(nóng)民對照品種和對照品種的產(chǎn)量優(yōu)勢需超過10%，方可進(jìn)入正式和簡易種子系統(tǒng)的定位推廣。
IRRI與國家農(nóng)業(yè)研究與推廣系統(tǒng)的輪輻式網(wǎng)絡(luò)模型，包含南亞、東南亞、東非和南部非洲地區(qū)的多個合作伙伴。區(qū)域育種負(fù)責(zé)人與區(qū)域內(nèi)不同國家的NARES合作伙伴定期互動協(xié)作。所示國家包括印度、孟加拉國、尼泊爾、坦桑尼亞、肯尼亞、布隆迪、馬拉維、烏干達(dá)、埃塞俄比亞、莫桑比克、菲律賓、印度尼西亞、泰國、老撾、越南和柬埔寨。IRRI的合作伙伴網(wǎng)絡(luò)不限于本圖所列國家。
08. 從框架到實(shí)踐新體系已產(chǎn)生可觀測增益
Onerice框架的實(shí)施已推動IRRI育種體系的多個方面發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。
全育種周期時間已被縮短至3年。目前已有一個育種管道實(shí)現(xiàn)了約1%的已實(shí)現(xiàn)遺傳增益，高于歷史估算水平。所有育種管道已統(tǒng)一使用一套方案語言和操作標(biāo)準(zhǔn)，共享服務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)了從雜交到數(shù)據(jù)管理的工作流標(biāo)準(zhǔn)化。
在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施層面，開源軟件EBS作為中央數(shù)據(jù)庫管理種質(zhì)、試驗(yàn)和苗圃信息。全自動分析流程可實(shí)現(xiàn)單地點(diǎn)分析、多環(huán)境聯(lián)合分析、育種值估算、選擇指數(shù)構(gòu)建和優(yōu)化貢獻(xiàn)親本選擇，并生成交互式HTML報告供育種團(tuán)隊和合作方使用。
種子健康單元負(fù)責(zé)從總部向各試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)成員的種子出口全流程管理，包括進(jìn)口許可獲取、健康檢測、檢疫認(rèn)證和跨國運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)。
09. 對其他作物的借鑒意義
盡管Onerice框架以自交水稻為主體構(gòu)建，但其原則和技術(shù)架構(gòu)具有向其他自花授粉作物和雜交水稻育種項目遷移的潛力。雜交水稻育種中，父本系和母本系的選育可參照現(xiàn)有自交系方案，僅需在早期測試階段加入頂交測試、在GS模型中納入非加性效應(yīng)等調(diào)整?？蚣芩x的市場細(xì)分、產(chǎn)品概要、目標(biāo)環(huán)境群、1X最小育種單元，以及數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)合作模式，均可作為其他作物育種項目優(yōu)化設(shè)計的參考模板。
小編認(rèn)為，Onerice育種框架值得國內(nèi)借鑒參考，小作坊式育種已成過去式，工業(yè)化和規(guī)?；N大勢所趨，育種體系和流程的建立往往比育種技術(shù)本身更重要，當(dāng)然也更難。
