以奋斗致初心 以科创启新章

——烟草所青年人才系列宣传报道（四）

编者按：发展是第一要务，人才是第一资源。站在“十五五”开局的新起点，烟草所的青年科技工作者正以青春为笔、以汗水为墨，在推进农业农村现代化和乡村振兴的伟大征程中，奋力书写农业科技自立自强的崭新篇章。为进一步弘扬科学家精神和农科精神，充分展示烟草所青年人才队伍建设成果，烟草所推出青年人才系列专题宣传活动。挖掘呈现青年科研人才传承科研薪火，立足岗位攻坚克难、服务产区破解难题的奋斗事迹，激励广大青年科研工作者以青春之力助力农业科技自立自强，为高质量完成“十五五”目标谱写青春华章。

告别“大海捞针”—用组学大数据为育种装上“智能导航”

——记烟草所青年科学家昝艳君

数千份保存在种质库中的资源，如何从沉睡的档案变成育种家快速调用的王牌亲本？成千上万个基因共同决定的复杂品质，怎样提前预测谁才是未来的“优等生”？这背后，是中国农业科学院烟草研究所青年科学家昝艳君和他的团队正在破解的“种子密码”。他们把基因组学、大数据和人工智能请进了田间地头，为作物育种装上了精准的“智能导航”。

给烟草种质资源建立“数字身份证”

种质资源是育种的“芯片”，但过去，很多种子只有简单的名字和来源，就像没有详细档案的“盲盒”。只有真正摸清它们的遗传组成和性状特点，才能让资源真正的“活”起来，将资源优势转化为育种优势。

为解决这个实际问题，昝艳君及团队给烟草种质资源办起了“数字身份证”，先后实施“烟草属泛基因组计划”“栽培烟草1K基因组计划”和“栽培烟草泛基因组计划”，系统推进烟草属和栽培烟草基因组资源建设。已完成14个野生烟草和27个代表性栽培烟草的端粒到端粒（T2T）高质量基因组组装，并对5500余份栽培烟草种质开展基因组测序，构建起覆盖野生烟草、地方种质、育成品种和不同烟草类型的大规模基因组变异资源。针对烟草属另一重要栽培种黄花烟草，团队完成了220份代表性种质的基因组测序和群体遗传分析，系统解析其群体结构以及主要农艺性状的遗传基础，拓展了烟草属种质资源的数字化版图。

从此，过去主要依靠名称、来源和少量表型记录保存的种质资源，逐步拥有可以计算、比较和利用的“数字身份证”。种质库也不再只是一个存放种子的“大仓库”，而是升级成了一个可以计算、比较和随时调用的“超级数据资源库”。育种家只要输入需求，就能在数据库里精准检索到带有抗病、高产等优良基因的“种子选手”。

从“看清基因组”到“看懂复杂性状”

栽培烟草的基因非常复杂，属于典型的异源四倍体，拥有两套来源不同的基因组。像烟叶的含糖量、香气等好品质，并不是由一两个基因决定的，而是成千上万个微效基因共同作用的结果。这就像调配一道复杂的菜肴，差一点火候味道就不对。为了回答栽培烟草“从哪里来、如何演化、复杂性状又如何形成”等基础科学问题，搞懂这些基因是如何协同工作的，昝艳君参与绘制了栽培烟草及其两个祖先种的基因组、转录组、表观基因组和三维基因组全景图谱，从基因组结构、DNA甲基化、染色质空间构象和基因表达等多个层面解析两个亚基因组的演化与协同调控规律。

在此基础上，为进一步破解这些复杂性状背后的遗传密码，团队进一步对5196份全球代表性栽培烟草种质开展群体基因组分析，系统解析不同烟草类型的遗传结构，并结合大规模田间表型调查，构建涵盖39个重要农艺和抗病性状的基因型—表型关联育种导航图谱，鉴定出178个显著关联位点。

研究还揭示了烟草品质性状典型的多基因调控特征。以还原糖为例，研究发现其最终性状并非几个“大效应基因”决定，而是数千个微效遗传变异共同发挥作用。这意味着，对于烟草品质等复杂性状，仅依靠少数分子标记难以实现有效改良，必须把成千上万个遗传信息综合起来进行预测和选择。这也成为昝艳君开展智慧育种研究的重要出发点。

图注：昝艳君在田间开展植物学性状调查

让算法走进种质库，让资源能够被“算出来”

“测了这么多种质，最终还是要回答一个问题——哪些资源真正值得育种家使用。”围绕这一目标，昝艳君将研究重点从“解析资源”进一步延伸到“使用资源”。团队整合基因组、表型、转录组和多组学数据，建设烟草多组学数据库，研发基因组选择和复杂性状预测模型，并进一步构建智慧育种平台。

传统种质筛选往往需要育种家从数千份材料中凭经验选择候选亲本，再经过多年田间试验逐步验证。数字化之后，研究人员首先利用基因型、表型和模型算法对整个种质库进行计算，在计算机中完成第一轮“海选”，预测不同材料的育种价值。利用这一“算法”，团队对国家烟草种质资源库进行了系统的数字化挖掘和精准鉴定，从数千份资源中筛选出一批具有低焦油、高糖等目标性状潜力的优异材料，为品质改良提供了新的亲本来源。让沉睡在种质库中的遗传多样性，变成可以被检索、计算和调用的育种资源。

从4000个“虚拟杂交”中寻找最优组合

找到了好材料，怎么配对才能生出“好娃娃”？低焦油等品质性状属于典型复杂数量性状。一份材料可能在某一指标上表现优异，却同时携带其他不利遗传因素。两个亲本杂交后，成千上万个基因如何重新组合，哪一个组合最值得投入，很难通过传统育种的经验判断实现。

围绕低焦油等复杂性状改良，昝艳君团队开始探索一条新路径：告别传统田间试种的“大海捞针”，用大数据的加持，先在电脑里进行“虚拟杂交”。团队利用算法，从80份具有不同优势的候选材料中模拟评估了约4000个潜在的杂交组合，在计算机里提前“预演”后代的性状表现。通过这种“算法海选”，他们将最有希望的400个组合带到田间真实验证，最终成功筛选出5份表现突出的候选材料进入工业评价，并显示出进一步推进的应用价值。这一过程初步打通了烟草“种质库资源挖掘—基因组预测—组合设计—材料创制—工业评价”的数据驱动育种链条。

计算机并没有替代育种家，而是帮助育种家把宝贵的时间花在刀刃上，把有限的田间试验资源优先投入到最有希望的材料和组合上。

图注：昝艳君在田间开展根系微生物和代谢组学采样

把论文写在大地上，把算法种到泥土中

再聪明的算法，也离不开田间地头真实准确的数据。为了获得可靠的种质表型，昝艳君及团队连续多年在山东即墨、四川西昌、湖南龙山等育种基地开展大规模烟草种质资源调查和表型鉴定。盛夏的试验田里，一株株测量株高、叶长、叶宽；回到实验室后，再面对数十TB的基因组和多组学数据开展分析。

一端是田间的一株烟草，一端是计算机中的数亿个基因组碱基。如何把二者真正连接起来，是团队始终希望解决的问题。

近年来，相关研究逐渐形成从基础研究到技术平台再到育种应用的完整布局：一方面，通过高质量基因组、泛基因组和多组学研究，不断认识烟草基因组演化和复杂性状形成规律；另一方面，将这些规律转化为数据库、算法和育种模型，为种质精准鉴定、亲本选择、组合配置和早期选择提供决策依据。

相关研究成果发表在《自然·遗传学（Nature Genetics）》等国际学术期刊，不仅为认识异源多倍体作物基因组演化和复杂性状调控提供了新的科学依据，也为烟草种质资源从“保存”走向“利用”、从“数字化”走向“智能化”奠定了基础。

从“资源优势”走向“育种优势”

我国保存着丰富的烟草种质资源。如何让庞大的资源优势真正转化为育种创新优势，是种质资源研究必须回答的问题。在昝艳君看来，未来的种质库不仅保存种子，也应该保存每份材料完整的基因型、表型和多组学信息；育种也不仅是在田间比较已有组合，更可以借助基因组大数据和人工智能，提前预测亲本价值、模拟后代、优化杂交方案，再将最有潜力的设计带到田间进行验证。

目前，团队正进一步推进烟草属泛基因组、栽培烟草泛基因组及智慧育种平台建设，持续完善“基因组—种质资源—复杂性状—模型算法—育种创制”的技术体系。从“靠天吃饭、凭经验育种”到“数据驱动、智能设计”，一条以数据为核心的烟草智慧育种新路径正在形成。未来，每一份优异的遗传资源都有机会从种质库走向育种田，再走向产业应用，“选种像查导航一样简单”的畅快，这正是烟草种质资源数字化和智慧育种的价值所在。