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植物育種は、望ましい特性を生み出すために植物の形質を変える科学です。 [ 1 ]これは、人間や動物が使用する植物製品の品質を向上させるために用いられます。 [ 2 ]植物育種の目標は、さまざまな用途に適した独自の優れた特性を持つ作物品種を生産することです。最も頻繁に取り上げられる農業特性は、生物的および非生物的ストレス耐性、穀物またはバイオマス収量、味や特定の生物学的分子（タンパク質、糖類、脂質、ビタミン、繊維）の濃度などの最終用途品質特性、および加工の容易さ（収穫、製粉、製パン、麦芽化、混合など）に関連するものです。 [ 3 ]
植物育種は、繁殖に最も望ましい植物を選抜する方法から、遺伝学や染色体の知識を利用する方法、より複雑な分子技術まで、さまざまな技術を用いて行うことができます。植物の遺伝子は、その植物がどのような質的または量的形質を持つかを決定します。植物育種家は、特定の植物の結果、そして潜在的には新しい植物品種を作り出すよう努めており[ 2 ]、その過程で、その品種の遺伝的多様性を特定の少数のバイオタイプに絞り込みます[ 4 ] 。
世界中で、庭師や農家などの個人、政府機関、大学、作物固有の業界団体、研究センターなどの組織に雇用されている専門の植物育種家によって実践されています。国際開発機関は、収量が高く、病害抵抗性があり、干ばつに強く、さまざまな環境や栽培条件に地域的に適応した新品種を開発することで、食料安全保障を確保するためには、新しい作物の育種が重要であると考えています。[ 5 ]
2023年の研究では、植物育種がなければ、ヨーロッパでは過去20年間で耕作作物の生産量が20%減少し、2160万ヘクタール（5300万エーカー）の土地が追加で消費され、 40億トン（3.9 × 10⁹ロングトン、4.4 × 10⁹ショートトン）の炭素が排出されたと報告されている。[ 6 ] [ 7 ]モロッコ用に作られた小麦の品種は現在、北フランス向けの新しい品種を作るために他の植物と交配されている。以前は主に南フランスで栽培されていた大豆は、現在では南ドイツで栽培されている。[ 6 ] [ 8 ]
植物育種は定住農業、特に最初の農作物の栽培化から始まり、その歴史は9,000年から11,000年前に遡ると推定されている。[ 9 ]当初、初期の農民は特定の望ましい特性を持つ食用植物を選び、それを後世の祖先として利用し、時間の経過とともに貴重な形質が蓄積されていった。
接ぎ木技術は紀元前2000年以前から中国で実践されていた。[ 10 ]
紀元前500年までに、接ぎ木は十分に確立され、実践されていた。[ 11 ]
グレゴール・メンデル（1822～1884）は「遺伝学の父」と称されている。植物の交配実験を通して、彼は遺伝の法則を確立した。遺伝学は、植物育種による作物生産性の向上を目指す研究を促進した。
選択的育種は、20世紀の緑の革命において極めて重要な役割を果たした。
現代の植物育種は応用遺伝学の一種ですが、その科学的基盤はより広範で、分子生物学、細胞学、系統分類学、生理学、病理学、昆虫学、化学、統計学（生物統計学）など多岐にわたります。また、独自の技術も開発されています。
植物育種の主要な技術の1つは選抜であり、望ましい特性を持つ植物を選択的に繁殖させ、望ましくない特性を持つ植物を排除または「淘汰」するプロセスである。[ 12 ]
もう一つの手法は、望ましい特性を持つ新しい作物品種や系統を作り出すために、近縁または遠縁の個体を意図的に交配（交雑）することです。植物は、ある品種または系統の形質／遺伝子を新しい遺伝的背景に導入するために交配されます。たとえば、うどんこ病に強いエンドウ豆を、収量が多いがうどんこ病に弱いエンドウ豆と交配し、高収量特性を失うことなくうどんこ病耐性を導入することを目的とします。交配によって得られた子孫は、高収量の親と交配され、子孫が高収量の親に最も似ていることを確認します（戻し交配）。その交配によって得られた子孫は、収量（上記のように選抜）とうどんこ病耐性についてテストされ、高収量で耐性のある植物がさらに開発されます。植物は、育種用の近交系を作るために、自家交配されることもあります。受粉袋を使用することで、受粉媒介者を排除することができます。
古典的な育種法は、遺伝的多様性を生み出すために、染色体間の相同組換えに大きく依存している。古典的な植物育種家は、多様性を生み出し、自然界には存在しない雑種植物を生産するために、プロトプラスト融合、胚救出、突然変異誘発（下記参照）などの多くの試験管内技術も利用することがある。
育種家が作物に組み込もうとしてきた特性には以下のようなものがある。
イギリスのガートン農業植物育種会社は1880年に設立され、1898年に公開会社となった。設立者はジョン・ガートンで、彼は交配によって作られた新しい農作物の品種を商業化した最初の人物の一人である。[ 13 ]同社が最初に発表したのはアバンダンスオートは、オート麦の品種です。 [ 14 ] [ 15 ]これは、管理された交配から育成された最初の農業用穀物品種の1つで、1892年に商業的に導入されました。 [ 14 ] [ 15 ]
20世紀初頭、植物育種家は、グレゴール・メンデルの遺伝の非ランダム性に関する発見が、意図的な受粉によって生産された実生集団に適用され、異なるタイプの頻度を予測できることに気づいた。小麦のハイブリッドは、いわゆる「穀物争奪戦」（1925～1940年）の間、イタリアの作物生産量を増やすために育種された。ヘテロシスはジョージ・ハリソン・シュルによって説明された。これは、特定の交配の子孫が両親を上回る傾向を説明するものである。植物育種におけるヘテロシスの有用性の発見は、交配時にヘテロシス収量優位性を示す近交系の開発につながった。トウモロコシは、ハイブリッド生産のためにヘテロシスが広く使用された最初の種である。
遺伝子の作用を分析し、遺伝的変異と環境による変異を区別するための統計的手法も開発された。1933年には、トウモロコシで開発されたもう一つの重要な育種技術である細胞質雄性不稔（CMS）がマーカス・モートン・ローズによって記述された。CMSは母系遺伝形質であり、植物が不稔性の花粉を生成する。これにより、労力を要する雄穂除去を必要とせずにハイブリッドを生産することが可能になる。
これらの初期の育種技術により、20世紀初頭の米国では収穫量が大幅に増加した。同様の収穫量増加は、第二次世界大戦後、 1960年代に緑の革命によって発展途上国で作物生産量が増加するまで、他の地域では実現しなかった。
第二次世界大戦後、植物育種家が遠縁の種を交配させ、遺伝的多様性を人工的に生み出すことを可能にする多くの技術が開発された。
遠縁の種を交配する場合、植物育種家は、通常では受精しない交配から子孫を生み出すために、さまざまな植物組織培養技術を利用します。種間および属間雑種は、通常は互いに有性生殖しない近縁種または属の交配から生じます。これらの交配は、広域交配と呼ばれます。たとえば、穀物トリティカレは、小麦とライ麦の雑種です。この交配から生まれた第一世代の植物の細胞には染色体の数が不均一であったため、不稔でした。細胞分裂阻害剤であるコルヒチンを使用して細胞内の染色体数を倍増させ、稔性のある系統を作出できるようにしました。
雑種が作れない原因は、受精前または受精後の不適合性にある可能性があります。2つの種または属間で受精が可能であっても、雑種胚は成熟前に流産することがあります。このような場合、異種間または属間の交配によって生じた胚を救出し、培養して完全な植物体を作ることができる場合があります。このような方法は胚救出と呼ばれます。この技術は、アジア米Oryza sativaとアフリカ米O. glaberrimaの異種間交配によって、アフリカ向けの新しいイネを生産するために使用されています。
ハイブリッドは、プロトプラスト融合と呼ばれる技術によっても作製できる。この場合、プロトプラストは通常、電場中で融合される。生存可能な組換え体は培養によって再生できる。
突然変異誘発には、エチルメタンスルホン酸（EMS）やジメチルスルフェート（DMS）などの化学突然変異原、放射線、トランスポゾンなどが用いられます。突然変異誘発とは、突然変異体を生成することです。育種家は、望ましい形質を他の栽培品種と交配させることを目指します。このプロセスは突然変異育種として知られています。古典的な植物育種家は、組織培養、特にカルス由来の植物で発生する体細胞変異と呼ばれるプロセスを利用して、種内の遺伝的多様性も生み出します。誘導倍数性や、染色体工学と呼ばれる技術を用いた染色体の追加または除去も用いられることがあります。
望ましい形質が種に導入された場合、新しい植物が望ましい親にできるだけ似るように、好ましい親との交配が何度も行われます。うどんこ病耐性エンドウと高収量だがうどんこ病に弱いエンドウを交配する例に戻ると、交配によって得られたうどんこ病耐性の子孫が高収量の親に最も似るように、子孫は数世代にわたってその親と交配されます（戻し交配を参照）。このプロセスにより、うどんこ病耐性の親の遺伝的寄与のほとんどが除去されます。したがって、古典的な育種は循環的なプロセスです。
従来の育種技術では、育種家は新しい品種にどのような遺伝子が導入されたかを正確に把握できません。そのため、一部の科学者は、従来の育種方法で生産された植物も、遺伝子組み換え植物と同様の安全性試験を受けるべきだと主張しています。実際、従来の育種技術を用いて育成された植物が食用に適さない事例も発生しています。例えば、ジャガイモの特定の品種では、育種によって毒性物質であるソラニンが意図せず許容範囲を超えるレベルまで増加したケースがあります。新しいジャガイモの品種は、市場に出回る前にソラニン含有量について検査されることがよくあります。
バイオテクノロジーを用いた最新の従来型育種でも、形質の導入には、クローン繁殖作物では平均7世代、自家受粉作物では9世代、他家受粉作物では17世代かかる。[ 16 ] [ 17 ]
現代の植物育種では、分子生物学の技術を用いて、望ましい形質を選抜したり、遺伝子組み換えによって植物に導入したりすることがあります。バイオテクノロジーや分子生物学の応用は、分子育種とも呼ばれます。
植物育種では、望ましい形質に影響を与える遺伝子が多数存在する場合があります。分子マーカーやDNAフィンガープリンティングなどのツールを使用すると、数千の遺伝子をマッピングできます。これにより、植物育種家は、目的の形質を持つ植物を大規模な植物集団から選抜することができます。選抜は、植物における発現形質の視覚的識別ではなく、実験室の手順によって決定される特定の遺伝子の存在または非存在に基づいています。マーカー支援選抜、または植物ゲノム解析の目的は、ゲノム内のさまざまな遺伝子の位置と機能（表現型）を特定することです。すべての遺伝子が特定されると、ゲノム配列が得られます。すべての植物は、異なるタンパク質をコードする遺伝子を持つ、サイズと長さが異なるゲノムを持っていますが、多くは同じです。ある植物種で遺伝子の位置と機能が特定された場合、非常に類似した遺伝子が、別の関連種のゲノムの同様の場所にも見つかる可能性が高いです。[ 18 ]
望ましい形質を持つホモ接合植物は、ヘテロ接合の出発植物から、それらの形質の対立遺伝子を持つ半数体細胞を生成し、それを用いて倍加半数体を作ることができれば、生産することができる。倍加半数体は、望ましい形質に関してホモ接合となる。さらに、そのようにして作られた2つの異なるホモ接合植物を用いて、ヘテロ接合性の利点とより広い範囲の形質を持つF1雑種植物の世代を生産することができる。したがって、望ましい特性のために選ばれた個々のヘテロ接合植物は、栄養繁殖を必要とせずに、最初に選ばれた植物から派生した2つのホモ接合/倍加半数体系統の交配の結果として、ヘテロ接合品種（F1雑種）に変換することができる。[ 19 ]この近道は「逆育種」と呼ばれている。[ 20 ]植物組織培養は、半数体または倍加半数体の植物系統と世代を生産することができる。これにより、その植物種から得られる遺伝的多様性が削減され、個体の適応度を高める望ましい形質が選抜されます。この方法を使用すると、望ましい形質に関して均質な世代を得るために複数の世代の植物を交配する必要性が減少し、同じプロセスの自然なバージョンよりも大幅に時間を節約できます。半数体植物を得るために使用できる植物組織培養技術は多数ありますが、現在、最も多くの半数体植物を生産するには小胞子培養が最も有望です。[ 18 ]
植物の遺伝子改変は、特定の遺伝子を植物に導入するか、RNAiを用いて遺伝子の発現を抑制することで、望ましい表現型を生み出すことによって行われます。遺伝子を導入して得られた植物は、しばしばトランスジェニック植物と呼ばれます。遺伝子改変において、対象種または交配可能な植物の遺伝子が、それぞれの固有のプロモーターの制御下で使用される場合、それらはシスジェニック植物と呼ばれます。遺伝子改変は、植物のゲノムの大部分が改変されないため、従来の育種よりも早く、望ましい形質を持つ植物を生み出すことができる場合があります。
植物を遺伝子組み換えするには、追加または除去する遺伝子が植物で発現するように遺伝子構築物を設計する必要があります。そのためには、転写を促進するプロモーターと、新しい遺伝子の転写を停止させる終結配列、そして目的の遺伝子を植物に導入する必要があります。形質転換された植物を選抜するためのマーカーも組み込まれます。実験室では、抗生物質耐性が一般的なマーカーとして用いられます。形質転換に成功した植物は抗生物質を含む培地で生育しますが、形質転換されていない植物は枯死します。場合によっては、市販前に親植物との戻し交配によって選抜マーカーが除去されることもあります。
この構築物は、アグロバクテリウム・ツメファシエンスまたはアグロバクテリウム・リゾゲネスなどの細菌を用いた遺伝子組換え、あるいはジーンガンやマイクロインジェクションなどの直接的な方法によって植物ゲノムに挿入することができる。植物ウイルスを用いて遺伝子構築物を植物に挿入することも可能であるが、この技術はウイルスの宿主範囲によって制限される。例えば、カリフラワーモザイクウイルス（CaMV）はカリフラワーとその近縁種にのみ感染する。ウイルスベクターのもう一つの制限は、ウイルスが通常子孫に受け継がれないため、すべての植物に接種する必要があることである。
現在市販されている遺伝子組み換え植物の大部分は、害虫や除草剤に対する抵抗性を導入した植物に限られています。害虫抵抗性は、一部の昆虫に毒性のあるタンパク質をコードするバチルス・チューリンゲンシス（Bt）の遺伝子を組み込むことによって実現されます。たとえば、一般的な綿の害虫であるワタミムシは、 Bt綿を食べると毒素を摂取して死に至ります。除草剤は通常、特定の植物酵素に結合してその作用を阻害することによって機能します。[ 21 ]除草剤が阻害する酵素は、除草剤の「標的部位」として知られています。 除草剤によって阻害されない標的部位タンパク質のバージョンを発現させることによって、作物に除草剤抵抗性を組み込むことができます。これは、グリホサート耐性（「ラウンドアップレディ」）作物植物を生産するために使用される方法です。
遺伝子改変は、特定の環境に対するストレス耐性を高めることで、収量をさらに増加させることができる。温度変化などのストレスは、シグナル伝達分子のカスケードを介して植物に伝達され、転写因子を活性化して遺伝子発現を調節する。寒冷順化に関与する特定の遺伝子の過剰発現は、収量損失の一般的な原因の1つである凍結に対する耐性を高めることが示されている[ 22 ]。
医薬品（および工業用化学物質）を生産できる植物の遺伝子改変は、ファーミングと呼ばれることもあり、植物育種のかなり革新的な新しい分野である。[ 23 ]
1990年代の遺伝子組み換え食品をめぐる議論は、メディア報道とリスク認識の点で1999年にピークに達し、[ 24 ]今日まで続いている。例えば、「ドイツは、広く栽培されている害虫抵抗性トウモロコシ品種の栽培を禁止することで、遺伝子組み換え作物に対するヨーロッパの反乱の高まりを支持した。 」[ 25 ]この議論は、遺伝子組み換え植物の生態学的影響、遺伝子組み換え食品の安全性、実質的同等性などの安全性評価に使用される概念を包含している。このような懸念は、植物育種にとって新しいものではない。ほとんどの国では、市場に出回る新しい作物品種が安全で農家のニーズを満たしていることを保証するために、規制プロセスが整備されている。例としては、品種登録、種子制度、遺伝子組み換え植物の規制認可などがある。
植物の工業的育種は、意図せずして、農業品種と微生物叢との関連性を変化させてきました。[ 26 ]例えば、トウモロコシでは、育種によって根圏に必要な窒素循環分類群が変化し、より新しい系統では窒素固定分類群が減少し、硝化菌と脱窒菌が増加しています。[ 27 ]育種系統の微生物叢は、ハイブリッド植物が、カボチャの種子やリンゴのシュート内生菌など、親と細菌群集の大部分を共有していることを示しています。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]さらに、親から子孫への微生物叢の寄与の割合は、育種と栽培化の過程で各親が提供した遺伝物質の量に対応しています。[ 30 ]
2020年現在機械学習、特に深層機械学習は、近年表現型解析でより一般的に使用されるようになっています。機械学習を用いたコンピュータビジョンは大きな進歩を遂げ、現在では葉の表現型解析や、通常は人間の目で行われるその他の表現型解析作業に応用されています。Pound et al. 2017 と Singh et al. 2016 は、複数の対象植物種にわたるプロセスの一般的な使いやすさを実証した初期の成功例です。これらの方法は、大規模で公開されているオープンデータセットを使用するとさらに効果的になります。[ 31 ]
スピードブリーディングは、Watson らによって 2018 年に導入されました。スピードブリーディング中の古典的な (人間が行う) 表現型解析も、Richard らによって 2015 年に開発された手順を使用して可能です。2020年現在SBと自動表現型解析を組み合わせることで、結果が大幅に改善されることが強く期待されている（上記の§ 表現型解析と人工知能を参照） 。[ 31 ]
NGSプラットフォームは、シーケンスに必要な時間とコストを大幅に削減し、モデル植物と非モデル植物におけるSNPの発見を容易にしました。これにより、特定の集団における遺伝子型のゲノム育種価/GEBVを予測することを目的としたゲノム選抜アプローチにおいて、大規模なSNPマーカーが使用されるようになりました。この方法は、選抜精度を高め、各育種サイクルの時間を短縮することができます。トウモロコシ、小麦などのさまざまな作物で使用されています。[ 32 ] [ 33 ]
参加型植物育種（PPB）とは、農家が作物改良プログラムに参加し、さまざまな段階で意思決定を行い、研究プロセスに貢献する機会を得ることである。[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]作物改良への参加型アプローチは、植物バイオテクノロジーが作物改良に利用される場合にも適用できる。[ 37 ]参加型プログラムによって地域の農業システムと遺伝的多様性が強化され、農家が要求される品質と対象環境の評価に関する知識を持つことで成果が向上する。[ 38 ]
2019年の参加型植物育種に関するレビューでは、多様性と栄養価が向上した品種の開発に成功した実績があり、これらの改良品種が農家に採用される可能性が高いにもかかわらず、広く受け入れられていないことが示されました。このレビューでは、参加型植物育種は非参加型アプローチよりも費用対効果が高いことも判明し、参加型植物育種を進化型植物育種に組み込むことが提案されました。[ 39 ]
進化植物育種とは、多様な遺伝子型を持つ集団を競争的な自然選択の下で栽培する手法を指します。栽培者や育種家による直接的な選抜ではなく、一般的な作物栽培環境での生存が主な選抜方法です。環境や投入物などの栽培条件の下で有利な個体は、適応度の低い個体よりも次世代に多くの種子を提供します。[ 40 ]進化植物育種は、ネパール国立遺伝子バンクによって、ジュムリ・マルシ米の在来品種の多様性を維持しながら、いもち病に対する感受性を低下させるために成功裏に使用されています。これらの手法は、ネパールの豆の在来品種にも使用されています。[ 41 ]
1929年、ハーランとマルティーニは、地理的に異なる28の大麦品種間の378回の交配から得られた同数のF2種子をプールすることにより、異質な集団を用いた植物育種法を提案した。1938年、ハーランとマルティーニは、混合動態集団における自然選択による進化を実証した。いくつかの地域で優勢になった少数の品種は他の地域ではほぼ消滅し、適応性の低い品種はどこでも消滅した。[ 42 ]
進化育種集団は、自己制御型の植物-病原体システムを確立するために使用されてきました。例としては、大麦があり、育種家は45世代にわたってRynchosporium secalisによる葉枯病に対する抵抗性を向上させることができました。 [ 8 ]進化育種プロジェクトでは、ダイズシストセンチュウに感染した土壌でF5ハイブリッド大豆集団を栽培し、抵抗性植物の割合を5%から40%に増やすことができました。乾燥地農業研究国際センター（ICARDA）の進化植物育種は、農家が地域の環境のニーズに合った品種を選択できるように、参加型植物育種と組み合わせています。[ 8 ]
1956年にコイト・A・スネソンがこのアプローチを体系化しようとした影響力のある試みは、進化植物育種という用語を作り出し、従来の育種と競合する結果を生み出すには15世代の自然選択が望ましいと結論付けた。[ 43 ]進化育種は、従来の育種よりもはるかに大きな植物集団を扱うことを可能にする。[ 42 ]また、予測不可能なストレス条件がある低投入農業システム向けに、異質および同質の作物系統を開発するために、従来の方法と併用して使用されてきた。[ 44 ]
進化的な植物育種は4つの段階に分けられています。[ 40 ]
将来的に植物育種が直面する課題には、耕作地の不足、ますます厳しくなる栽培条件、そして世界人口に十分な栄養を提供できることを含む食料安全保障の維持の必要性などがある。世界中で利用できるように、作物は複数の環境で成熟できる必要があり、干ばつ耐性などの問題を解決する必要がある。特定の遺伝子を選択することで作物が望ましい結果をもたらすレベルで機能できるようにする植物育種のプロセスを通じて、世界的な解決策が達成可能であると示唆されている。[ 45 ]農業が直面する課題の1つは、将来の気候変動への適応に役立つ遺伝子を持つ可能性のある多様性を持つ在来種やその他の地域品種の喪失である。 [ 8 ]
従来の育種では、遺伝子型内の表現型の可塑性を意図的に制限し、遺伝子型間の変異を制限しています。[ 44 ]均一性では、作物が気候変動やその他の生物的ストレスや非生物的ストレスに適応することができません。[ 8 ]
植物育種家の権利は重要かつ議論の多い問題である。新品種の生産は商業植物育種家によって支配されており、彼らは知的財産権に基づく国内外の協定を通じて、自分たちの研究を保護し、使用料を徴収しようとしている。関連する問題の範囲は複雑である。最も単純な言い方をすれば、ますます厳しくなる規制の批判者たちは、商業育種家が技術的および経済的圧力の組み合わせによって生物多様性を減少させ、個人（農家など）が地域レベルで種子を開発および取引することを著しく制限していると主張している。[ 46 ]品種保護期間を延長するなどして育種家の権利を強化する努力は継続中である。
植物の知的財産法では、遺伝的均一性と世代を超えて変化しない外観を含む定義がよく用いられる。こうした安定性の法的定義は、作物の収量や品質が場所や時間を超えてどれだけ一貫しているかという観点から安定性を考える伝統的な農業用語とは対照的である。[ 40 ]
2020年現在、ネパールの規制では、均一な品種のみが登録または公開を許可されています。進化した植物集団や多くの在来種は多型性であり、これらの基準を満たしていません。[ 41 ]
均一で遺伝的に安定した栽培品種は、環境変動や新たなストレス要因に対処するには不十分な場合がある。[ 40 ]植物育種家は、このような条件下で作物が確実に生育する作物を特定することに重点を置いてきた。これを実現する方法の一つは、低窒素の干ばつ条件に耐性のある作物の系統を見つけることである。このことから明らかなように、植物育種は、農家がストレス耐性のある作物を生産し、食料安全保障を向上させることができるため、将来の農業の存続に不可欠である。[ 47 ]アイスランド、ドイツ、さらに東のヨーロッパ など、厳しい冬を経験する国々では、植物育種家は、霜、継続的な積雪、霜干ばつ（霜の下での風と太陽放射による乾燥）、冬の土壌の高水分レベルに対する耐性の育種に取り組んでいる。[ 48 ]
育種は迅速なプロセスではなく、特に病気を軽減するための育種においてはそれが重要です。人間が新たな真菌病の脅威を認識してから、その病原体に対する耐性作物がリリースされるまでの平均時間は少なくとも12年です。[ 17 ] [ 49 ]
新しい植物品種や栽培品種が育成された場合、それらを維持・増殖させる必要があります。植物の中には無性生殖で増殖するものもあれば、種子で増殖するものもあります。種子で増殖する栽培品種は、品種の特性を維持するために、種子の供給源と生産手順を厳密に管理する必要があります。近縁植物との交差汚染や収穫後の種子の混合を防ぐためには、隔離が必要です。隔離は通常、植栽距離によって行われますが、特定の作物では、植物を温室やケージで囲むこともあります（F1ハイブリッドの生産時に最も一般的に使用されます）。
古典的な育種であれ遺伝子工学による育種であれ、現代の植物育種には、特に食用作物に関して懸念すべき問題が伴います。育種が栄養価に悪影響を及ぼす可能性があるかどうかという問題は、この点で中心的な課題です。この分野における直接的な研究は比較的少ないものの、植物の発育のある側面を促進することで、他の側面が阻害される可能性があるという科学的示唆があります。2004年に米国栄養学会誌に掲載された「1950年から1999年までの43種類の園芸作物のUSDA食品成分データの変化」と題された研究では、1950年と1999年に行われた野菜の栄養分析を比較し、測定された13種類の栄養素のうち6種類で大幅な減少が見られました。これには、タンパク質の6% 、リボフラビンの38%の減少が含まれます。カルシウム、リン、鉄、アスコルビン酸の減少も確認されました。テキサス大学オースティン校生化学研究所で行われたこの研究は、要約すると次のように結論付けている。 「実際の減少は、一般的に1950年から1999年の間に栽培品種が変化したことで最も容易に説明できると考えられます。この変化には収量と栄養含有量のトレードオフが存在する可能性があります。」[ 50 ]
植物育種は、飼料や作物の栄養価を高めるための費用対効果の高いツールであるため、世界の食料安全保障に貢献することができます。分析化学とルーメン発酵技術の使用による飼料作物の栄養価の向上は、1960 年以降記録されています。この科学技術により、育種家は短時間で何千ものサンプルをスクリーニングできるようになり、高性能なハイブリッドをより迅速に特定できるようになりました。遺伝的改良は主に試験管内乾物消化率 (IVDMD) であり、0.7 ～ 2.5% の増加をもたらしました。IVDMD がわずか 1% 増加しただけで、肉牛としても知られる Bos Taurus 1 頭の日増体量が 3.2% 増加したと報告されています。この改善は、植物育種が将来の農業をより高度なレベルで機能させるための不可欠なツールであることを示しています。 [ 51 ]
人口増加に伴い、食料生産も増加させる必要がある。世界食糧安全保障サミット宣言を満たすためには、2050年までに食料生産を70%増加させる必要があると推定されている。しかし、農地の劣化により、単に作物の作付け面積を増やすだけではもはや現実的な選択肢ではない。場合によっては、土地面積の増加に頼らずに収量を増加させる新しい品種の植物を育種によって開発することができる。その一例として、アジアでは一人当たりの食料生産量が2倍に増加している。これは、肥料の使用だけでなく、その地域向けに特別に設計されたより優れた作物の使用によって達成された。[ 52 ] [ 53 ]
有機農業の批判者の中には、その低い収穫量が、適応性の低い品種の栽培が原因の一部である可能性がある状況では、慣行農業の代替として実行可能なほどの収穫量がないと主張する者もいる。[ 54 ] [ 55 ] 有機農業の95%以上は慣行農業に適した品種に基づいていると推定されているが、有機農業と慣行農業の生産環境は、その独特な管理方法により大きく異なっている。[ 55 ] 特に、有機農家は、生産環境を制御するために利用できる投入物が慣行農家よりも少ない。有機農業の独自の条件に特に適応した品種を育種することは、この分野がその潜在能力を最大限に発揮するために不可欠である。そのためには、次のような特性を選抜する必要がある。[ 55 ]
現在、有機農業を対象とした育種プログラムは少なく、最近までこの分野に取り組んでいたプログラムも、一般的に間接選抜（つまり、有機農業にとって重要と考えられる形質について慣行環境で選抜すること）に依存していました。しかし、有機環境と慣行環境の違いは大きいため、遺伝子と環境の相互作用により、特定の遺伝子型がそれぞれの環境で大きく異なるパフォーマンスを示す可能性があります（遺伝子と環境の相互作用を参照）。この相互作用が十分に深刻な場合、有機環境に必要な重要な形質が慣行環境では明らかにならず、適応性の低い個体が選抜される可能性があります。[ 54 ] 最も適応性の高い品種が確実に特定されるように、有機育種の提唱者は現在、多くの農業形質について直接選抜（つまり、対象環境で選抜すること）の使用を推進しています。
遺伝子組み換え生物が禁止されているにもかかわらず、有機農業における作物改良に利用できる古典的および現代的な育種技術は数多く存在する。例えば、個体間の制御された交配により、望ましい遺伝的変異が組み換えられ、自然なプロセスによって種子の子孫に伝達される。 マーカー支援選抜は、望ましい形質を持つ子孫の選抜を容易にする診断ツールとしても利用でき、育種プロセスを大幅に加速させる。[ 56 ] この技術は、抵抗性遺伝子を新しい背景へ導入すること、および1つの個体にピラミッド化された多数の抵抗性遺伝子を効率的に選抜することに特に有用であることが証明されている。多くの重要な形質、特に多くの遺伝子によって制御される複雑な形質については、現在分子マーカーは利用できない。
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