2024-12-16 09:39:41
民以食為天，食以糧為先。長(zhǎng)期以來(lái)，糧食安全議題在全球廣受關(guān)注，助力農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)相關(guān)技術(shù)研發(fā)進(jìn)展也備受矚目。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(遺傳發(fā)育所)許操研究員團(tuán)隊(duì)基于植物生理學(xué)經(jīng)典理論“源庫(kù)理論”，通過(guò)持續(xù)攻關(guān)讓理論成為現(xiàn)實(shí)，最新研發(fā)出不同作物通用的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)快速育種技術(shù)體系——“環(huán)境智能型高產(chǎn)—穩(wěn)產(chǎn)作物育種新策略”(CROCS)，由此開(kāi)啟環(huán)境智能型高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種新時(shí)代。
中國(guó)科學(xué)家在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種核心技術(shù)上取得這項(xiàng)重大突破的相關(guān)成果論文，北京時(shí)間12月14日凌晨在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)上線發(fā)表。業(yè)內(nèi)專家稱，該研究開(kāi)辟了環(huán)境智能精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種新路徑，將為突破作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種瓶頸，保障糧食安全提供全新育種策略。
何以開(kāi)啟作物育種新時(shí)代
此次研究發(fā)布的環(huán)境智能育種全新策略，通過(guò)建立包括環(huán)境響應(yīng)順式調(diào)控元件篩選、靶向位點(diǎn)選擇、瞬時(shí)表達(dá)驗(yàn)證、基因編輯器改造、種質(zhì)測(cè)產(chǎn)與性狀評(píng)價(jià)等一系列方法在內(nèi)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)快速育種技術(shù)體系，首次在主要糧食和蔬菜作物中同時(shí)實(shí)現(xiàn)“順境增產(chǎn)，逆境穩(wěn)產(chǎn)”環(huán)境智能型作物種質(zhì)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(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)快速育種技術(shù)體系，開(kāi)啟了環(huán)境智能型高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種的新時(shí)代。
他指出，過(guò)去幾十年的生命科學(xué)基礎(chǔ)研究已經(jīng)鑒定出許多響應(yīng)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(diào)控元件。這些順式調(diào)控元件能夠響應(yīng)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(chǎn)—穩(wěn)產(chǎn)作物育種新策略”系統(tǒng)為精準(zhǔn)敲入環(huán)境感應(yīng)分子開(kāi)關(guān)、培育順境高產(chǎn)逆境穩(wěn)產(chǎn)的氣候韌性作物鋪平了道路，也為植物發(fā)育環(huán)境適應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)研究提供了高效的基因編輯工具和可行的技術(shù)體系。
百年理論如何解決實(shí)際問(wèn)題
許操研究員長(zhǎng)期從事作物發(fā)育環(huán)境適應(yīng)性機(jī)理與設(shè)計(jì)育種研究。他介紹說(shuō)，“源庫(kù)理論”是植物光合作物產(chǎn)物分配和作物產(chǎn)量形成的生理學(xué)基礎(chǔ)，從1928年提出距今已有近百年歷史。它是指植物體內(nèi)光合產(chǎn)物(如碳同化物蔗糖)從“源”器官(主要為光合組織，如葉片)向“庫(kù)”器官(如根、莖、果實(shí)、種子等)的運(yùn)輸與分配過(guò)程，而負(fù)責(zé)碳同化物運(yùn)輸?shù)妮攲?dǎo)系統(tǒng)及其運(yùn)轉(zhuǎn)速率被稱為“流”。
“源—庫(kù)—流”互相依存又存在反饋調(diào)節(jié)，作物源庫(kù)關(guān)系不暢會(huì)導(dǎo)致碳同化物分配“內(nèi)卷”，果實(shí)和種子產(chǎn)量和品質(zhì)低下?！霸鲈础U(kuò)庫(kù)、暢流”一直是作物栽培和作物育種中實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的根本。高溫等農(nóng)業(yè)逆境會(huì)抑制碳同化物從源器官到庫(kù)器官的分配，造成落花落果或籽?？瞻T，如番茄落花落果、果實(shí)大小不均一、糖度低，水稻、小麥、玉米的癟殼、禿尖等，是造成農(nóng)業(yè)災(zāi)害減產(chǎn)的主要原因。
實(shí)際生產(chǎn)中，作物周?chē)臏囟仁菍?shí)時(shí)變化的，如果能給作物源庫(kù)關(guān)系調(diào)控的關(guān)鍵樞紐基因安裝一個(gè)溫度感應(yīng)器，賦予其實(shí)時(shí)感應(yīng)溫度變化自動(dòng)優(yōu)化源庫(kù)分配的能力，將有望在不額外增加農(nóng)業(yè)資源投入的情況下，打破碳同化物分配“內(nèi)卷”，突破單產(chǎn)提升瓶頸，創(chuàng)制順境高產(chǎn)、逆境穩(wěn)產(chǎn)的環(huán)境智能型作物。
基于“源庫(kù)理論”，中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所智能設(shè)計(jì)育種科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶(CWIN)是調(diào)控碳同化物分配的關(guān)鍵基因，它將葉片運(yùn)輸來(lái)的蔗糖在花、果實(shí)、種子等庫(kù)器官中卸載、轉(zhuǎn)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(shí)種子發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，又決定了果實(shí)甜度和稻米谷物的品質(zhì)。
環(huán)境智能作物育種有何成效
許操表示，聚焦細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶這類源庫(kù)關(guān)系調(diào)控的關(guān)鍵樞紐基因，研究團(tuán)隊(duì)突破高效基因敲入技術(shù)難題，為細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶基因植入了在植物基因中廣泛存在的熱響應(yīng)元件分子開(kāi)關(guān)(HSE)，使作物獲得感應(yīng)溫度變化自動(dòng)“擴(kuò)庫(kù)暢流”的能力。
研究團(tuán)隊(duì)在溫室、大棚、大田等不同栽培模式條件下，對(duì)番茄多年多點(diǎn)單產(chǎn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，順境條件下，使用環(huán)境智能育種全新技術(shù)可使番茄產(chǎn)量提高14%—47%；高溫逆境下，該方法培育的番茄種質(zhì)比對(duì)照增產(chǎn)26%—33%，可挽回高溫脅迫造成的56.4%—100%的產(chǎn)量損失，而且改良后的番茄果實(shí)均一度、糖度等品質(zhì)性狀在相應(yīng)條件下顯著提高。
通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)拓展，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在單子葉植物水稻中測(cè)試環(huán)境智能育種策略在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種中的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò)多年多點(diǎn)水稻單產(chǎn)測(cè)試表明，順境條件下，該方法可使水稻產(chǎn)量提高7%—13%；高溫逆境下，熱響應(yīng)元件分子開(kāi)關(guān)精準(zhǔn)敲入的水稻品種比對(duì)照增產(chǎn)25%，可挽回高溫脅迫造成的41%的稻米產(chǎn)量損失。
許操透露，智能設(shè)計(jì)育種科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)已將該策略應(yīng)用于大豆、小麥、玉米等作物，有望快速培育順境高產(chǎn)、逆境穩(wěn)產(chǎn)的新種質(zhì)。
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