作物灰色育種學(xué)的理論技術(shù)體系及其應(yīng)用

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(安陽工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，河南安陽 455000)

2012-07-24

郭瑞林(1960-)，男，研究員，主要從事小麥遺傳育種和作物定量化育種研究，Email: grl6662002@yahoo.com.cn。

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究基金項(xiàng)目(092300410013)；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(112102110001)。

作物灰色育種學(xué)的理論技術(shù)體系及其應(yīng)用

郭瑞林，劉亞飛，吳秋芳，路志芳

(安陽工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，河南安陽 455000)

論述了作物灰色育種學(xué)的學(xué)科構(gòu)成和特點(diǎn)，概括了作物灰色育種學(xué)的理論技術(shù)體系，指出該理論技術(shù)體系由五大體系、八大理論、九個(gè)原理、一條技術(shù)路線和一個(gè)計(jì)算機(jī)決策系統(tǒng)組成。介紹了作物灰色育種學(xué)理論技術(shù)體系在作物育種中的應(yīng)用，展望作物灰色育種學(xué)的發(fā)展前景及發(fā)展方向。

作物；灰色育種學(xué)；理論；技術(shù)體系

作物灰色育種學(xué)是20世紀(jì)80年代末將灰色系統(tǒng)理論[1,2]與作物育種理論[3]相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興邊緣學(xué)科。自1995年《作物灰色育種學(xué)》[4]一書問世以來，經(jīng)過十多年的發(fā)展，從學(xué)術(shù)砥礪到技術(shù)切磋，從理論研究到實(shí)踐驗(yàn)證，從門庭冷落到詢者如云，從波瀾不興到風(fēng)生水起，一波三折，風(fēng)雨兼程。其中，既有“欲取鳴琴彈，恨無知音賞”的孤獨(dú)，也有“詞客爭新角短長，迭開風(fēng)氣遞登場”的熱鬧；既有“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”的困惑，又有“會(huì)當(dāng)臨絕頂，一覽眾山小”的歡欣?？傊魑锘疑N學(xué)理論研究承前啟后，歷經(jīng)滄桑，以其別開生面的獨(dú)特視角和提出問題、認(rèn)識(shí)問題、解決問題的全新思路，在作物育種領(lǐng)域異軍突起，愈來愈引起育種工作者的關(guān)注和重視。到目前為止已基本形成了以五大體系、八大理論、九個(gè)原理、一條技術(shù)路線和一個(gè)計(jì)算機(jī)決策系統(tǒng)為突出特色的學(xué)術(shù)框架，在學(xué)術(shù)界奠定了一定的學(xué)術(shù)地位。它的提出與應(yīng)用，對于育種工作者認(rèn)識(shí)和掌握作物育種規(guī)律，控制品種選育進(jìn)程，提高品種選育效率，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)育種向定量化育種的跨越，促進(jìn)作物育種學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。

1 作物灰色育種學(xué)學(xué)科構(gòu)成及其特點(diǎn)

1.1 學(xué)科構(gòu)成

作物灰色育種學(xué)根植于作物育種。作物育種系統(tǒng)的復(fù)雜性，決定了作物灰色育種學(xué)與生俱來就是一門集諸多學(xué)科于一身的綜合學(xué)科，這種綜合與古代靈獸麒麟集龍頭、鹿角、獅眼、虎背、熊腰、蛇鱗、牛尾、馬蹄于一體極為相似。正是這種綜合，才使學(xué)科更具活力和靈氣。我們把作物灰色育種學(xué)歸結(jié)為作物灰色育種學(xué)基礎(chǔ)和作物灰色育種學(xué)方法論兩部分(圖1)，其中基礎(chǔ)部分體現(xiàn)的就是這種綜合效應(yīng)。

圖1 作物灰色育種學(xué)的學(xué)科構(gòu)成

作為奠基性學(xué)科，作物育種學(xué)和灰色系統(tǒng)理論成為學(xué)科的重要成員自不待言，其他學(xué)科也由于與作物育種的淵源關(guān)系而理當(dāng)列選。眾所周知，作物育種首當(dāng)其沖要制定育種目標(biāo)，而其理論依據(jù)離不開生態(tài)學(xué)知識(shí)；育種材料在試驗(yàn)田要茁壯成長、健壯發(fā)育，需要有土壤肥料學(xué)和栽培學(xué)理論作支撐；雜交組合要實(shí)現(xiàn)基因重組，使各種遺傳特征得到充分表現(xiàn)，遺傳學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)知識(shí)必不可少；株型育種和高光效育種要研究植株形態(tài)、生理特性，與植物生理學(xué)理論密不可分；抗病蟲育種要求植物病理學(xué)和昆蟲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)；轉(zhuǎn)基因育種要了解目標(biāo)性狀的基因及其功能，對分子生物學(xué)和現(xiàn)代生物技術(shù)知識(shí)有較高要求；育種田間工程和試驗(yàn)要做到科學(xué)合理，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析可大顯身手；育種試驗(yàn)數(shù)據(jù)要充分利用和快捷處理，計(jì)算機(jī)原理與生物信息學(xué)則有用武之地。

由此可見，作物灰色育種學(xué)裒多益寡，博采眾長，將諸多學(xué)科融鑄一爐，從而使其具有了明顯的“雜種優(yōu)勢”，形成了與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)育種有所不同的新特色。

1.2 特 點(diǎn)

與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)育種相比，作物灰色育種學(xué)具有如下四個(gè)鮮明的特點(diǎn)：一是能夠闡明作物育種過程中的各種現(xiàn)象，不但給出質(zhì)的定性解釋，同時(shí)也給出量的確切描述。既可海納百川，汲取多年來諸多育種工作者的智慧和經(jīng)驗(yàn)，又可技高一籌，使之更加理論化、系統(tǒng)化、規(guī)范化和程序化，從而使作物育種學(xué)發(fā)展成為一門精密的學(xué)科。二是能夠綜合考慮多種因素，描述作物育種過程中極為復(fù)雜的因果關(guān)系。對于影響某一育種目標(biāo)性狀的眾多因素，哪些是主要的，哪些是次要的，可以給出一目了然的清晰回答。三是能夠充分利用育種信息對育種現(xiàn)象進(jìn)行解釋，能為品種選育過程各關(guān)鍵階段或環(huán)節(jié)做出最優(yōu)決策，它所給出的結(jié)果，用來指導(dǎo)作物新品種選育，可以明顯地提高選擇效率和選擇效果。四是能夠與計(jì)算機(jī)原理和技術(shù)相融合，編制成程序，操作規(guī)范、方便，即使是育種新手，也能得到育種專家那樣的決策水平。由此可見，作物灰色育種理論與方法不失為育種工作者手中的一個(gè)實(shí)用性很強(qiáng)的工具和手段，較之傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)育種是一種理論上的飛躍和突破。

2 作物灰色育種學(xué)的理論技術(shù)體系

作物灰色育種學(xué)的靈魂所系、精義所在，主要體現(xiàn)在其理論技術(shù)體系上，概而言之，即所謂五大體系、八大理論、九個(gè)原理、一條技術(shù)路線和一個(gè)計(jì)算機(jī)決策系統(tǒng)。

2.1 五大體系

包括以作物育種理論和灰朦朧集合為基本骨架和內(nèi)核的理論體系、以灰關(guān)聯(lián)空間為依托的分析體系、以灰序列生成為基礎(chǔ)的方法體系、以GM灰色模型為核心的模型體系和以作物育種灰分類、灰評估、灰布局、灰預(yù)測和灰關(guān)系分析為主體的技術(shù)體系。

2.1.1 理論體系

作物灰色育種學(xué)以作物育種理論和灰朦朧集合作為其基本的理論支柱，輔之于其他相關(guān)理論。亦即是說，作物灰色育種學(xué)的理論體系是以作物育種理論為骨架，以灰朦朧集合為內(nèi)核，以其他相關(guān)理論為肌膚共同構(gòu)成的，彼此之間相輔相成，珠聯(lián)璧合，融為一體。該理論體系與傳統(tǒng)作物育種學(xué)的顯著區(qū)別就在于面對信息不完全的作物育種系統(tǒng)，她是以信息覆蓋的形式來描述作物育種對象，用灰數(shù)、灰元、灰關(guān)系、灰矩陣、灰方程來形式化揭示和表達(dá)作物育種現(xiàn)象的，因而也更加客觀、科學(xué)，為實(shí)現(xiàn)作物育種的信息化、定量化和科學(xué)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.1.2 分析體系

分析的實(shí)質(zhì)是比較。而作物育種本質(zhì)上是育種對象的比較，這種比較是以灰關(guān)聯(lián)空間為依托的整體比較，是距離空間和點(diǎn)集拓?fù)淇臻g相結(jié)合，有參考系的、有測度的整體比較。這種分析體系能夠通過對信息不完全與“少數(shù)據(jù)不確定”的作物育種系統(tǒng)因子間的量化和序化，做出統(tǒng)觀全局和全貌的分析，從而判別影響育種系統(tǒng)的主要與次要因子。

2.1.3 方法體系

作物灰色育種的方法體系是以灰序列生成為基礎(chǔ)的。所謂灰序列生成即將原始育種數(shù)據(jù)通過某種運(yùn)算變換為新數(shù)據(jù)。通常有三種變換：一是通過生成運(yùn)算可改變育種數(shù)據(jù)層次的層次變換，如累加生成和累減生成等方法；二是通過生成運(yùn)算將不可比育種數(shù)據(jù)變換為可比育種數(shù)據(jù)的數(shù)值變換，如初值化生成、均值化生成和區(qū)間值化生成等方法；三是通過生成運(yùn)算將極性不同的育種數(shù)據(jù)或序列改變?yōu)闃O性相同的育種數(shù)據(jù)或序列，如上限效果測度、下限效果測度和適中效果測度等方法。通過這些變換，育種對象不同量綱性狀之間的關(guān)系得以顯化，隱含在數(shù)據(jù)背后的育種規(guī)律得以揭示。

2.1.4 模型體系

作物灰色育種模型體系是以GM灰色模型為核心的。這種模型既不是一般的函數(shù)模型，也不是純粹的差分方程模型，或者純粹的微分方程模型，而是具有部分差分、部分微分性質(zhì)的模型，無論在關(guān)系上、性質(zhì)上還是內(nèi)涵上均具有不確定性。育種序列通常是有限序列，用這種序列建立微分方程模型，實(shí)質(zhì)上是用有限差異信息建立一個(gè)無限差異信息模型，這也是作物灰色育種建模的難點(diǎn)所在。因此其建模思路是，從育種序列的角度剖析一般微分方程，以了解其構(gòu)成的主要條件，然后，對近似地滿足這些條件的育種序列建立近似的(信息不完全的)微分方程模型。這種模型體系基于“少數(shù)據(jù)，貧信息”的事實(shí)，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)模型以研究歷史規(guī)律為主向研究現(xiàn)實(shí)規(guī)律為主的轉(zhuǎn)變，是對傳統(tǒng)模型的有效補(bǔ)充。

2.1.5 技術(shù)體系

作物灰色育種技術(shù)體系以灰分類、灰評估、灰布局、灰預(yù)測和灰關(guān)系分析為主體。其中，灰分類包括灰關(guān)聯(lián)模糊分類、灰關(guān)聯(lián)Q型系統(tǒng)分類、灰關(guān)聯(lián)R型系統(tǒng)分類、灰關(guān)聯(lián)圖論分類和最大樹灰色相似性關(guān)系分類等；灰評估包括雜交組合灰色評判、單株灰選性狀變權(quán)選擇、單株灰選性狀定權(quán)選擇、單株灰選性狀等權(quán)選擇、品種灰色多維綜合隸屬度評估、品種灰色關(guān)聯(lián)度多維綜合評估、品種灰色功效函數(shù)多維綜合評估、品種灰色模糊多維綜合評估、品種灰色統(tǒng)計(jì)多維綜合評估和品種灰色相似性栽培等；灰布局包括品種單目標(biāo)化灰布局、品種中心灰靶布局、品種灰關(guān)聯(lián)布局和品種灰色聚類布局等；灰預(yù)測包括病蟲害灰色災(zāi)變預(yù)測和病蟲害灰色季節(jié)災(zāi)變預(yù)測等；灰關(guān)系分析包括灰色關(guān)聯(lián)度分析、廣義灰色關(guān)聯(lián)度分析、灰色點(diǎn)關(guān)聯(lián)度分析和灰色優(yōu)勢分析等。該技術(shù)體系涵蓋了作物育種全過程，可以有效地指導(dǎo)新品種選育。

2.2 八大理論

包括育種目標(biāo)性狀灰關(guān)系分析理論、親本灰色分類理論、雜交組合灰色評判理論、單株灰色選擇理論、品種多維綜合比較理論、品種灰色布局理論、品種灰色相似性栽培理論、病蟲害灰色預(yù)測理論等，文獻(xiàn)[4]和[5]已有詳盡說明，在此不予贅述。

2.3 九個(gè)原理

包括育種默承認(rèn)原理、育種默否認(rèn)原理、育種差異信息原理、育種信息認(rèn)知原理、育種白化原理、育種解的非唯一性原理、育種信息優(yōu)先原理、育種最少信息原理、育種灰性不滅原理等，詳情請參見文獻(xiàn)[6]。

2.4 一條技術(shù)路線

在上述五大體系、八大理論和九個(gè)原理基礎(chǔ)上，結(jié)合育種實(shí)踐，確立了作物灰色育種技術(shù)路線，即：運(yùn)用育種灰關(guān)系分析理論研究育種目標(biāo)性狀之間的關(guān)系，確定客觀、合理的育種目標(biāo)；運(yùn)用親本灰色分類理論對親本進(jìn)行科學(xué)分類，配制雜交組合；運(yùn)用雜交組合灰色評判理論，對F1雜交組合進(jìn)行評估，確定重點(diǎn)組合和F2種植規(guī)模；運(yùn)用單株灰色選擇理論確定田間入選單株等級，決定取舍；運(yùn)用品種灰色多維綜合比較理論對入選品系、品種進(jìn)行綜合評價(jià)，篩選優(yōu)良品系或品種；運(yùn)用品種灰色布局理論確定品種適宜生態(tài)種植區(qū)；運(yùn)用品種灰色相似性栽培理論實(shí)現(xiàn)良種良法配套；運(yùn)用病蟲害灰色預(yù)測理論預(yù)測病蟲害發(fā)生和流行趨勢，提出預(yù)警對策，充分發(fā)揮品種的增產(chǎn)、提優(yōu)潛力。這條技術(shù)路線自成體系，別具一格，目前已漸趨成熟，作為一種新的規(guī)范有效的育種途徑，逐漸為育種工作者所接受，其重要意義已經(jīng)或正在育種實(shí)踐中得到體現(xiàn)。

2.5 一個(gè)計(jì)算機(jī)決策系統(tǒng)

即作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)。這是以《作物灰色育種學(xué)》為藍(lán)本，將貫串于作物育種過程各階段或環(huán)節(jié)的上述理論與方法編制成計(jì)算機(jī)程序研制而成的。該系統(tǒng)的問世，為育種工作者提供了一種快捷有效的決策平臺(tái)，使育種工作者從繁瑣復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理勞務(wù)中解放出來，從而極大地推動(dòng)了作物灰色育種理論與方法的推廣與應(yīng)用，在育種實(shí)踐過程中產(chǎn)生了良好效果。在此基礎(chǔ)上，2008年由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社出版專著《作物灰色育種電腦決策系統(tǒng)及其應(yīng)用》[6]，并被列為國家“十一五”重點(diǎn)圖書，在全國育種界產(chǎn)生一定影響。2011年該書榮獲河南省首屆自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)著作一等獎(jiǎng)。

3 作物灰色育種學(xué)理論技術(shù)體系在作物育種中的應(yīng)用

作物灰色育種學(xué)是在作物育種理論研究與應(yīng)用研究相結(jié)合的過程中產(chǎn)生的，因此其理論與技術(shù)體系從問世之初就帶有十分強(qiáng)烈的應(yīng)用性和實(shí)踐性，目前已在許多方面得到應(yīng)用并取得了明顯效果。據(jù)中國知網(wǎng)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)總庫檢索，截止目前，全國已有400多個(gè)育種單位2 000多名研究人員正在運(yùn)用灰色育種理論開展作物育種研究工作，發(fā)表研究論文500余篇(包括36篇碩士論文，5篇博士論文)，應(yīng)用范圍涉及水稻、小麥、玉米、棉花等19類107種動(dòng)植物(表1)，研究內(nèi)容包括育種目標(biāo)性狀關(guān)系分析、親本分類、雜交組合評估、單株選擇、品種(系)比較、品種布局、品種相似性栽培等育種關(guān)鍵環(huán)節(jié)或階段(參考文獻(xiàn)略)。在這種理論與方法的指導(dǎo)下，已培育出小麥、綠豆、棉花、谷子、大豆、豇豆、南瓜、甜玉米、桑樹、優(yōu)質(zhì)蠶等新品種20個(gè)[7～23]，獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，市級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益(表2)，這就從育種實(shí)踐的角度，為作物灰色育種學(xué)理論技術(shù)體系的可行性提供了有力的佐證。

表1 作物灰色育種理論應(yīng)用領(lǐng)域與范圍

表2 運(yùn)用灰色育種理論培育出的作物新品種

4 作物灰色育種學(xué)的發(fā)展前景與展望

作物灰色育種學(xué)理論技術(shù)體系在其十多年的發(fā)展歷程中，已經(jīng)取得了一定成效，顯示出了強(qiáng)大的生命力，展現(xiàn)出了美好的應(yīng)用前景，但畢竟目前仍處于自發(fā)應(yīng)用階段，以致限制了它的進(jìn)一步發(fā)展和壯大。因此，今后發(fā)展應(yīng)當(dāng)注意幾個(gè)問題：

一是迫切需要加大推廣力度，擴(kuò)大影響范圍，使灰色育種理論日益深入人心。目前作物灰色育種理論技術(shù)體系的宣傳還僅僅停留在發(fā)表文章和在全國性學(xué)術(shù)會(huì)議上作報(bào)告的階段或水平上，影響范圍充其量不到1%，因此還有很大的發(fā)展空間。雖然“桃李無言，下自成蹊”，但其前提條件是要有人知道“桃李”的存在。這就要求我們盡快組建一支強(qiáng)有力的推廣隊(duì)伍，向?qū)W術(shù)論文和學(xué)術(shù)會(huì)議波及不到的育種單位和育種工作者灌輸灰色育種思想，傳播灰色育種理論，普及灰色育種技術(shù)。與此同時(shí)，與全國著名種業(yè)集團(tuán)育種部門開展聯(lián)合開發(fā)與攻關(guān)，唯其如此，才能充分發(fā)揮其在作物育種中的指導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)作物育種由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)育種向定量化育種的跨越，提升作物育種整體水平。

二是努力營造良好的學(xué)術(shù)生態(tài)和氛圍，將灰色育種理論向國際學(xué)術(shù)界延伸和拓展，使作物灰色育種理論技術(shù)體系逐步走向世界。通過在國際知名專業(yè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表文章和積極參加國際學(xué)術(shù)會(huì)議以及與國外著名育種單位開展合作研究等多種渠道和形式，促使灰色育種理論在國際作物育種科學(xué)的殿堂上占據(jù)一席之地。

三是不斷吸收新理論和新成果，使作物灰色育種理論日臻完善和成熟。誠然，作為一門新興邊緣學(xué)科，作物灰色育種學(xué)還處于幼嬰期，還存在著這樣那樣的不足和問題，正如她孕育之初，就是由眾多學(xué)科雜交而成一樣，在其進(jìn)一步發(fā)展過程中，仍然需要眾多學(xué)科的潤澤和扶持，更需要新的學(xué)科和理論的充實(shí)和完善。在今后一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，與遺傳學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)、生物信息學(xué)、生物技術(shù)、可拓理論、同異理論、粗集理論、數(shù)據(jù)挖掘等諸多學(xué)科和理論的進(jìn)一步融合和滲透，仍然是亟待努力的研究課題和方向。當(dāng)然，在學(xué)科之間的相互融合、滲透過程中，應(yīng)當(dāng)注意一定要融會(huì)貫通，切忌斷章取義、生搬硬套，力求避免“圖形與影，未盡纖麗之容；察火于灰，不睹洪赫之烈”的現(xiàn)象發(fā)生。相信在眾多育種工作者的研究、關(guān)愛和呵護(hù)下，作物灰色育種學(xué)終有一天會(huì)日臻完善、漸趨成熟的。

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TheoryandTechnologySystemofCropGreyBreedingandItsApplication

(School of Biological and Food Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang, Henan 455000,China)

The subject structure and characteristics of Crop Grey Breeding Science was discussed, and its theory and technology system consisted of five systems, eight theories, nine principles, a technical route and a computer decision-making system was summarized. At the same time, the application of this system in crop breeding was introduced. On this basis, the development prospect and research direction of Crop Grey Breeding Science were pointed out.

Crop; Grey breeding science; Theory； Technology system

S330

A

1001-5280(2012)05-0417-06

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.05.02