中新網(wǎng)北京12月14日電 (記者 孫自法)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(guān)注，助力農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)相關(guān)技術(shù)研發(fā)進展也備受矚目。

　　中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(遺傳發(fā)育所)許操研究員團隊基于植物生理學(xué)經(jīng)典理論“源庫理論”，通過持續(xù)攻關(guān)讓理論成為現(xiàn)實，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)，由此開啟環(huán)境智能型高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種新時代。

　　中國科學(xué)家在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種核心技術(shù)上取得這項重大突破的相關(guān)成果論文，北京時間12月14日凌晨在國際著名學(xué)術(shù)期刊《細胞》(Cell)上線發(fā)表。業(yè)內(nèi)專家稱，該研究開辟了環(huán)境智能精準設(shè)計育種新路徑，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(yīng)順式調(diào)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(zhì)測產(chǎn)與性狀評價等一系列方法在內(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實現(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，開啟了環(huán)境智能型高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種的新時代。

　　他指出，過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)為精準敲入環(huán)境感應(yīng)分子開關(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際問題

　　許操研究員長期從事作物發(fā)育環(huán)境適應(yīng)性機理與設(shè)計育種研究。他介紹說，“源庫理論”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”器官(如根、莖、果實、種子等)的運輸與分配過程，而負責(zé)碳同化物運輸?shù)妮攲?dǎo)系統(tǒng)及其運轉(zhuǎn)速率被稱為“流”。

　　“源—庫—流”互相依存又存在反饋調(diào)節(jié)，作物源庫關(guān)系不暢會導(dǎo)致碳同化物分配“內(nèi)卷”，果實和種子產(chǎn)量和品質(zhì)低下。“增源、擴庫、暢流”一直是作物栽培和作物育種中實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的根本。高溫等農(nóng)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(nóng)業(yè)災(zāi)害減產(chǎn)的主要原因。

　　實際生產(chǎn)中，作物周圍的溫度是實時變化的，如果能給作物源庫關(guān)系調(diào)控的關(guān)鍵樞紐基因安裝一個溫度感應(yīng)器，賦予其實時感應(yīng)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(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“源庫理論”，中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所智能設(shè)計育種科技攻關(guān)團隊研究發(fā)現(xiàn)，細胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶(CWIN)是調(diào)控碳同化物分配的關(guān)鍵基因，它將葉片運輸來的蔗糖在花、果實、種子等庫器官中卸載、轉(zhuǎn)化為可直接被吸收利用的葡萄糖和果糖，這些糖分既是果實種子發(fā)育的必需營養(yǎng)物質(zhì)，又決定了果實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，聚焦細胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶這類源庫關(guān)系調(diào)控的關(guān)鍵樞紐基因，研究團隊突破高效基因敲入技術(shù)難題，為細胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶基因植入了在植物基因中廣泛存在的熱響應(yīng)元件分子開關(guān)(HSE)，使作物獲得感應(yīng)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(chǎn)測試發(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均一度、糖度等品質(zhì)性狀在相應(yīng)條件下顯著提高。

　　通過關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種中的應(yīng)用潛力。經(jīng)過多年多點水稻單產(chǎn)測試表明，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)元件分子開關(guān)精準敲入的水稻品種比對照增產(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)計育種科技攻關(guān)團隊已將該策略應(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)。(完)