园艺和植物学正在经历一场真正的革命，这得益于 基因组和分子工具这些技术直到最近才似乎只存在于尖端研究实验室，但它们正在成为了解植物多样性、改良植物、并使植物适应我们所面临的巨大环境和生产挑战的关键因素。
如今，仅凭外观特征或凭经验进行杂交已远远不够。DNA测序的进步、新型分子标记的开发、人工智能以及CRISPR等基因编辑技术开辟了无限可能，使我们能够在农业和观赏园艺领域设计定制物种，从而更好地保护植物多样性。
基因组和分子工具：概念和应用
基因组学和生物技术的结合代表着植物物种改良和保护的质的飞跃。 这些技术种类繁多，涵盖最传统的技术（例如使用形态标记）到最新的大规模测序、人工智能和基因编辑等。
分子标记和遗传多样性分析
评估遗传多样性对于生物多样性改善计划和保护都至关重要。 分子标记是与基因组特定区域相连的DNA小片段，能够精确区分物种、品种甚至个体，不受环境因素的影响。其中最常用的有：
- 空军基地 （扩增片段长度多态性）
- RAPD （随机扩增多态性DNA）
- 区域行动方案 （扩增序列相关多态性）
- 固态继电器 （简单序列间重复）
- RFLP （限制性片段长度多态性）
- SSR或微卫星 （简单序列重复）
- 单核苷酸多态性 （单核苷酸多态性）
显性标记（例如 RAPD 或 AFLP）可用于对研究较少的物种进行低成本研究，而共显性标记（例如 SSR 或 SNP）则提供更高的分辨率，是高级选择和育种计划的理想选择。 此外，由于 SNP 的丰富性和精确度，尤其是随着下一代测序 (NGS) 成本的降低，当前的趋势显然是使用 SNP。
杂交基质和高通量技术
杂交阵列，尤其是基于 SNP 和 DArT 等平台的杂交阵列，大大提高了同时分析多个个体和基因座的能力。 这些芯片可以表征大量种质资源的遗传变异，识别与抗病性、产量或品质相关的目标基因，而无需先种植或杂交植物。此外，DArT 芯片无需事先获取序列信息，这使得其开发更具成本效益，并使其成为研究不足物种的理想选择。
大规模测序：NGS革命
下一代测序（NGS）使得获取任何植物的完整基因组信息变得民主化。 利用这些技术，可以同时快速地分析数千个基因或整个基因组区域。这不仅有助于识别重要的遗传变异，还能绘制与关键性状相关的基因图谱（QTL），研究种群结构，并设计更高效的育种方案。
辅助选择和遗传改良：标记、图谱和策略
当前的植物育种计划将定向杂交与分子标记辅助选择相结合。 由于这种策略，育种周期得以加快，因为可以从种子中识别个体是否拥有所需的基因或变异，而无需等待生长或结果。
遗传图谱用于定位控制目标性状（例如抗病性、耐旱性、果实或花卉品质以及许多其他特性）的QTL。这使得选择更加精准和快速。该方法已成功应用于葡萄、果树和蔬菜等作物，并越来越多地应用于观赏植物和牧草品种。
要了解更多关于如何应用这些基因组工具来改良观赏植物的信息，请参阅 原始植物及其在园艺中的应用.
无融合生殖：自然克隆及其改良优势
无融合生殖是许多具有农业和观赏价值的物种中的一个关键现象，即无需有性受精即可产生可育种子的能力。 在此过程中，植物会产生母本的基因克隆，从而可以保留具有优良特性的杂交品种或建立所需的特性，而不会出现基因分离的问题。
无融合生殖可以是配子体，也可以是孢子体，广泛存在于禾本科等植物中。对于育种者来说，快速识别无融合生殖植物极其有用，即使在早期阶段，分子标记也能用于区分它们，从而大大简化了潜在商业品系的筛选。
此外，通过连锁图谱和QTL分析了解无融合生殖的遗传调控，为尝试使用传统方法或基因工程将这种机制转移到其他作物打开了大门，尽管该领域仍然存在重大挑战。
基因组编辑：CRISPR 在园艺和植物学中的作用
近年来最具颠覆性的工具可能是 CRISPR/Cas9 基因组编辑。 这项技术源自细菌的适应性免疫系统，可以精确切割和修改植物基因组的任何区域。其最大的优势在于无需引入外来DNA，这有助于许多此类新植物获得社会和监管机构的认可。
CRISPR 在园艺、果树种植和观赏园艺中的实际应用非常广泛：消除产生过敏原的基因、创造无籽（单性结实）果实、获得更能抵抗疾病或环境压力的品种、改变花朵和果实的颜色或形状......所有这些都不再是科幻小说，而是一种实验，在某些情况下，是商业现实。
对于牧草或高价值观赏植物等复杂物种，由于自交不亲和性和多倍性，常规育种变得困难，而 CRISPR 提供了一种快速且可控的引入变异的方法。此外，越来越多的快速方法正在被开发，这些方法不需要稳定的遗传转化，例如使用原生质体，这使得即使在难以操作的物种中也能进行基因编辑。
人工智能和高通量表型分析
人工智能 (AI) 和深度学习已经开始彻底改变植物表型。 像 GenoDrawing 这样的模型可以根据遗传信息（例如 SNP 谱）预测果实形状、颜色甚至植物习性等复杂性状，甚至在植物生长或结果之前就能生成逼真的图像。这极大地简化了育种程序，并将辅助选择提升到新的精度和速度水平。
这些方法还有助于降低成本并避免传统评估中固有的错误，传统评估通常依赖于人工观察并受到植物发育时间的限制。
现代植物育种的创新与挑战
基因组技术的引入不仅加速了新品种的开发，而且解决了直到最近才显得难以克服的挑战。 例如：
- 获取不含过敏性化合物的植物，例如专为乳糜泻患者设计的低麸质小麦品系。
- 在全球粮食和园艺的关键物种（如玉米、水稻、番茄、葡萄和玫瑰）中引入对多种非生物和生物胁迫的同时抵抗力。
- 开发具有新的视觉或生理特性的装饰和园艺材料：无花粉植物、具有独特颜色或可控生长的花朵，以方便在公园和城市空间中使用。
