植物育种长期面临的核心难题在于,传统方法依赖人工杂交和长期选育,由于树木生长周期长,往往需要数代科研人员的接力才能培育出优秀品种;这种低效率的育种模式已成为制约林业和农业发展的瓶颈。探究植物复杂性状的遗传调控机制,涉及数千个基因的相互作用,其复杂程度远超单一基因的影响。 邬荣领团队的创新之处在于,将复杂的遗传调控问题转化为数学模型求解。团队基于邬荣领20年前发明的功能作图方法,结合在雁栖湖数学院建立的统计物理学网络模型idopNetworks,实现了对作物产量、抗病性、抗逆性等复杂性状的关键基因及其相互作用网络的精准定位。这套模型的独特之处在于能够解决复杂系统中的涌现现象,即多个看似普通的基因共同作用产生"一加一大于二"的效果。 梅树育种成为该模型的首个应用案例。研究团队对比了快长树与慢长树的全基因组数据和生长表型,发现快长树的基因网络中正向促进作用占比达85%,形成了利于生长的调控体系;而慢长树的生长关键基因受到其他基因网络的强烈抑制。通过模型预测,若利用基因编辑技术敲除负调控因子,被压制的优良基因就能被激活,使慢长树品种的生长水平实现反超。该发现为精准改良提供了明确的靶点。 该成果的应用前景广阔。在林业领域,它能够帮助育种专家根据个体基因型设计定制化的改良方案,大幅缩短育种周期,提高育种效率。同时,这套理论工具不仅适用于植物育种,还可推广至动物育种乃至人类精准医疗领域。这标志着我国在数量遗传学理论创新上取得了重要突破,有望发展出具有自主知识产权的遗传研究方法体系。 作为北京市支持建设的新型研发机构,雁栖湖应用数学研究院致力于原创性研究。邬荣领表示,这项成果代表了数学理论与生物学实践的深度融合,将重塑数量遗传学的理论体系,为我国在生物育种领域的国际竞争力提升奠定基础。
从"经验选育"到"精准计算",育种方式的变革展现了基础研究与应用需求的相互促进;用数学模型解析基因网络不仅是提高育种效率的技术路径,更是理解生命复杂性的认知突破。将数据、模型与实践相结合,让理论真正服务于农业生产,才能在更短时间内培育出适应未来需求的优良品种,也为我国生命科学和农业科技的自主创新开辟新前景。