2024-12-16 09:39:41
民以食為天，食以糧為先。長期以來，糧食安全議題在全球廣受關注，助力農作物高產穩(wěn)產相關技術研發(fā)進展也備受矚目。
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所(遺傳發(fā)育所)許操研究員團隊基于植物生理學經典理論“源庫理論”，通過持續(xù)攻關讓理論成為現實，最新研發(fā)出不同作物通用的高產穩(wěn)產快速育種技術體系——“環(huán)境智能型高產—穩(wěn)產作物育種新策略”(CROCS)，由此開啟環(huán)境智能型高產穩(wěn)產作物育種新時代。
中國科學家在高產穩(wěn)產作物育種核心技術上取得這項重大突破的相關成果論文，北京時間12月14日凌晨在國際著名學術期刊《細胞》(Cell)上線發(fā)表。業(yè)內專家稱，該研究開辟了環(huán)境智能精準設計育種新路徑，將為突破作物高產穩(wěn)產育種瓶頸，保障糧食安全提供全新育種策略。
何以開啟作物育種新時代
此次研究發(fā)布的環(huán)境智能育種全新策略，通過建立包括環(huán)境響應順式調控元件篩選、靶向位點選擇、瞬時表達驗證、基因編輯器改造、種質測產與性狀評價等一系列方法在內的高產穩(wěn)產快速育種技術體系，首次在主要糧食和蔬菜作物中同時實現“順境增產，逆境穩(wěn)產”環(huán)境智能型作物種質的快速創(chuàng)制。
論文通訊作者許操研究員表示，這是不同作物通用的高產穩(wěn)產快速育種技術體系，開啟了環(huán)境智能型高產穩(wěn)產作物育種的新時代。
他指出，過去幾十年的生命科學基礎研究已經鑒定出許多響應生物與非生物脅迫、養(yǎng)分吸收與利用以及共生微生物的順式調控元件。這些順式調控元件能夠響應多種脅迫，如高溫、低溫、干旱、鹽堿、光照、病原體侵害以及養(yǎng)分缺乏等。
“環(huán)境智能型高產—穩(wěn)產作物育種新策略”系統(tǒng)為精準敲入環(huán)境感應分子開關、培育順境高產逆境穩(wěn)產的氣候韌性作物鋪平了道路，也為植物發(fā)育環(huán)境適應機制的基礎研究提供了高效的基因編輯工具和可行的技術體系。
百年理論如何解決實際問題
許操研究員長期從事作物發(fā)育環(huán)境適應性機理與設計育種研究。他介紹說，“源庫理論”是植物光合作物產物分配和作物產量形成的生理學基礎，從1928年提出距今已有近百年歷史。它是指植物體內光合產物(如碳同化物蔗糖)從“源”器官(主要為光合組織，如葉片)向“庫”器官(如根、莖、果實、種子等)的運輸與分配過程，而負責碳同化物運輸的輸導系統(tǒng)及其運轉速率被稱為“流”。
“源—庫—流”互相依存又存在反饋調節(jié)，作物源庫關系不暢會導致碳同化物分配“內卷”，果實和種子產量和品質低下。“增源、擴庫、暢流”一直是作物栽培和作物育種中實現高產穩(wěn)產的根本。高溫等農業(yè)逆境會抑制碳同化物從源器官到庫器官的分配，造成落花落果或籽粒空癟，如番茄落花落果、果實大小不均一、糖度低，水稻、小麥、玉米的癟殼、禿尖等，是造成農業(yè)災害減產的主要原因。
實際生產中，作物周圍的溫度是實時變化的，如果能給作物源庫關系調控的關鍵樞紐基因安裝一個溫度感應器，賦予其實時感應溫度變化自動優(yōu)化源庫分配的能力，將有望在不額外增加農業(yè)資源投入的情況下，打破碳同化物分配“內卷”，突破單產提升瓶頸，創(chuàng)制順境高產、逆境穩(wěn)產的環(huán)境智能型作物。
基于“源庫理論”，中國科學院遺傳發(fā)育所智能設計育種科技攻關團隊研究發(fā)現，細胞壁蔗糖轉化酶(CWIN)是調控碳同化物分配的關鍵基因，它將葉片運輸來的蔗糖在花、果實、種子等庫器官中卸載、轉化為可直接被吸收利用的葡萄糖和果糖，這些糖分既是果實種子發(fā)育的必需營養(yǎng)物質，又決定了果實甜度和稻米谷物的品質。
環(huán)境智能作物育種有何成效
許操表示，聚焦細胞壁蔗糖轉化酶這類源庫關系調控的關鍵樞紐基因，研究團隊突破高效基因敲入技術難題，為細胞壁蔗糖轉化酶基因植入了在植物基因中廣泛存在的熱響應元件分子開關(HSE)，使作物獲得感應溫度變化自動“擴庫暢流”的能力。
研究團隊在溫室、大棚、大田等不同栽培模式條件下，對番茄多年多點單產測試發(fā)現，順境條件下，使用環(huán)境智能育種全新技術可使番茄產量提高14%—47%；高溫逆境下，該方法培育的番茄種質比對照增產26%—33%，可挽回高溫脅迫造成的56.4%—100%的產量損失，而且改良后的番茄果實均一度、糖度等品質性狀在相應條件下顯著提高。
通過關鍵技術拓展，研究團隊進一步在單子葉植物水稻中測試環(huán)境智能育種策略在高產穩(wěn)產育種中的應用潛力。經過多年多點水稻單產測試表明，順境條件下，該方法可使水稻產量提高7%—13%；高溫逆境下，熱響應元件分子開關精準敲入的水稻品種比對照增產25%，可挽回高溫脅迫造成的41%的稻米產量損失。
許操透露，智能設計育種科技攻關團隊已將該策略應用于大豆、小麥、玉米等作物，有望快速培育順境高產、逆境穩(wěn)產的新種質。
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