问题——长期以来,植物尤其是林木的育种效率受制于生长周期长、性状受多基因共同影响等现实约束。
传统人工杂交与田间筛选需要多年乃至数十年持续迭代,对科研与生产都是耐力考验。
更关键的是,产量、抗病、抗逆、生长势等复杂性状往往不是单一基因“说了算”,而是多个基因在不同阶段、不同环境下相互作用的结果,如何在海量基因信息中找准关键节点、解释其协同机制,并转化为可操作的改良方案,成为现代生物学与育种学面临的核心难题之一。
原因——复杂性状研究的难点,一方面在于“多”:基因数量多、作用路径多、互作关系多,单点关联容易遗漏系统性规律;另一方面在于“动”:基因表达与互作具有时空动态性,且受环境与发育阶段影响显著。
以往研究更多从“单基因—单性状”或“少数位点—统计关联”入手,能够提供线索,但难以解释“涌现”现象,即多个普通基因组合后呈现出的非线性、协同放大效应。
面对这一系统性挑战,跨学科方法的重要性日益凸显:需要用更适合刻画网络与动态的数学语言,把基因之间的相互作用结构化、可计算化。
影响——据介绍,北京雁栖湖应用数学研究院教授邬荣领团队在前期方法积累基础上,提出个体化全基因组互作组网络模型,尝试把“基因如何共同决定性状”转化为可量化、可推演的网络问题。
该模型把全基因组数据与表型数据结合,在个体尺度上构建基因互作图谱,进而对性状变化进行预测与解释。
相关研究成果近日发表于国际期刊《园艺研究》。
从应用价值看,这种思路有望为育种提供一张更清晰的“基因导航图”:不仅告诉研究者哪些基因与性状相关,更强调基因之间如何协同、哪些环节是关键调控节点,从而为后续的材料筛选、目标设定与策略设计提供依据。
对策——在验证与示范方面,研究团队选取梅树作为模型应用对象之一,结合全基因组数据与株高、地径等生长表型,对快长与慢长材料的生长调控机制进行对比分析。
模型构建的网络结果显示,快长材料的互作网络中正向促进作用占比较高,形成较有利于生长的调控体系;而慢长材料的关键生长基因受到其他基因网络的较强抑制,导致整体表现偏弱。
基于网络结构的推演,研究提出可检验的改良设想:若通过基因编辑等手段削弱或去除负调控因子,被抑制的优良基因可能被“释放”,从而提升慢长材料的生长潜力。
业内人士指出,这类“从网络到干预”的路径,有助于把育种从经验驱动进一步推向机制驱动与方案可设计,减少试错成本,提高迭代效率。
当然,相关预测仍需在严格的生物学实验、田间试验与多环境验证中检验其稳定性与可推广性。
前景——从更宏观的视角看,林木育种提效不仅关系到产业竞争力,也与生态修复、碳汇提升、乡村产业发展等议题相互关联。
以数学模型为抓手,把基因互作规律纳入可计算框架,有望在未来形成一套可复用的方法体系:在林业领域,可服务于优良品种培育与资源保护;在作物领域,可辅助抗逆、抗病与高产性状的综合改良;在更广泛的生命科学研究中,这种个体水平的动态互作图谱构建思路,也可能为理解复杂疾病或表型差异提供新的分析路径。
与此同时,模型方法的进一步落地,需要数据质量提升、表型测量标准化、跨尺度验证以及与育种流程的深度耦合,才能真正从“能算”走向“好用、管用”。
从"经验育种"到"计算育种",这项研究不仅实现了基础理论的重大突破,更展现了交叉学科融合创新的巨大潜力。
在种业振兴战略背景下,我国科学家正以原创性突破打破技术壁垒,其方法论创新或将重构全球生物育种技术格局。
这启示我们:突破"卡脖子"难题,既需要深耕专业领域的定力,更呼唤打破学科边界的智慧。