生物和非生物的区别之一，在于是否具有繁殖的能力以及遗传和变异的功能。遗传（heredity）是生物的“性状由亲代向子代传递的现象”。它是生物个体发育和系统进化的基础。没有遗传，生物就不能保留既有的性状。变异（variation）是生物的“亲代与子代间或群体内不同个体间基因型或表型的差异”。变异结合选择，作物才能适应不断变化着的外界环境。它是生物由低级到高级发展的原因之一。没有变异生物将永远停留在一个水平上，不会产生新性状，便没有进化。遗传和变异是生物进化过程的一对矛盾，是进化的动力。
具体来说，生物的遗传和变异指的是生物性状保持和改变。作物具有生物所共有的遗传和变异的特性。性状（character）就是生物体的任何可以鉴别的表型特征。生物体所表现的性状可分为单位性状（unitcharacter）和相对性状（relativecharacter）。也就是先按性状分出不同的项目，如豌豆的花色和种皮光皱等，再在各项目内分出不同的表现，如花色分红花和白花，种子分光皮和皱皮等。按性状在子代表现与否又分为显性性状（dominantcharacter）和隐性性状（recessivecharacter）。前者是显性等位基因支配的，在子代表现出来的性状；后者是被显性等位基因掩盖而未呈现的性状。根据性状的连续性分为数量性状和质量性状。前者表现为可计算的相连续的数目，如高度和产量等；后者则各性状间区别明显，不存在中间型，如托叶或苞叶有无等。在群落中的群体尚存在着特有的性状，按其相互作用分为相利性状，如根瘤固氮和株低增光等，也有相害性状如争肥争水和致病招虫等。确定和分析作物不同性质的性状，对于作物育种，特别是群落育种具有十分重要的意义。
了解和阐明生物性状及其遗传和变异，需要从生物的微观结构开始。细胞是生物的基本结构单位。其细胞核是它的中心组成部分，对于指导细胞发育和控制性状遗传起着主导作用。核内存在着能为碱性染料着色，因而被称为染色质的网状物。当细胞分裂时，染色质集聚成一定形态结构和数目的、具有自我复制能力的染色体（chromosome）。它由蛋白质和核酸（nucleicacid）构成，其中核酸包括大量的脱氧核糖核酸（DNA）和少量的核糖核酸（RNA）。脱氧核糖核酸是由4种碱基（A.G.T.C）与脱氧核糖和磷酸结合成的多种核苷酸（nucleotide），而且表现为螺旋梯状结构的生物高分子。如果用酶把DNA水解，可以得到4种核苷酸，每个核苷酸分别由一种碱基、一个脱氧核糖和一个磷酸分子所组成。所以DNA实际上是脱氧核苷酸的成螺旋链序列的多聚体。目前已能用化学的方法，把化学元素人工合成DNA。随着研究的深入，进一步知道在DNA上，存在着特定遗传信息的一段核苷酸序列，成为决定生物性状的遗传物质的基本功能单位，这就是基因（gene）。一般基因平均含500～1500个核苷酸。每个基因在染色体上都有自己的基因座（locus）。凡是在同源染色体上占据同位点的基因称为等位基因（allele）。在杂合体的2个不同的等位基因中，表现其性状的基因为显性基因（dominantgene），不表现其性状的为隐性基因（recessivegene）。根据功能，基因分为两大类：决定各种蛋白质的合成者称为结构基因（structuralgene）；调节结构基因的活动者称控制基因（controllinggene），它们共同作用而操纵和控制着生物体内的蛋白质生成的种类、数量和速度。追根究底，基因是自我复制，繁殖后代和生长发育等生物功能的遗传变异的物质基础。遗传学是研究生物遗传和变异的科学，涉及新种和新品种形成的机制。它是作物群落育种的理论基础。1856—1864年，孟德尔（G.J.Mendel，1822—1884）开创性地进行豌豆杂交试验，提出生物性状遗传的分离规律和独立分配规律，“被公认为是遗传学建立和开始发展。”随着研究的不断深入，突变学说、纯系学说、种质论和连锁遗传规律相继提出，丰富遗传的理论。特别是DNA分子结构模式理论和中心法则的发表，为分子遗传学的建立创造了条件。并且细胞学与遗传学相结合，产生了细胞遗传学；数学与遗传学相结合产生了群体遗传学；计算机在遗传学的应用，促进了数量遗传学的诞生，此外还有生化遗传学、辐射遗传学和进化遗传学。这些交叉科学共同成为作物群落育种的理论基础。