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新一轮农业革命为作物定向育种指明了方向
日期:2019-10-21 作者:编译:王爱玲 来源:农科智库 点击:
     不断增长的人口与不断恶化的气候对作物育种提出了重大挑战,迫切需要利用现有的知识和工具开展新一轮农业革命。目前提出的若干解决途径包括:增加作物的抗压恢复能力,将农业扩展到城市生境或干旱易发地区等新环境,以及促进全球向以植物为主的饮食结构转变。
    美国冷泉港实验室(CSHL)扎克·利普曼(Zach Lippman)教授最近与以色列魏兹曼研究所(Weizmann Institute of Science)的专家尤瓦尔·埃希德(Yuval Eshed)合作,阐述了植物科学和农业的现状与未来。他们发表在《科学》杂志上的文章列举了过去50年生物学研究中的一些例子,并突出强调了推动上一轮农业革命的主要基因突变和遗传修饰,包括改变植物的开花信号以调整作物的产量,创造出能够耐肥或适应不同气候的植物,以及引入高产抗病的杂交种。
    这些有益变化最初是偶然发现的,但现代基因组学已经揭示,它们大多来源于两个核心激素系统:控制开花的成花素和影响株高的赤霉素。利普曼和埃希德认为,现如今的基因编辑技术准确而又高效,下一次农业革命将无须依赖偶然发现。或许通过改变这两个核心激素系统,未来就可以克服农业面临的挑战。
矮化与花期调控
    在20世纪60年代以前,为了提高小麦产量而大量施肥,结果导致植株徒长和倒伏,从而造成减产。直到诺贝尔奖获得者诺曼·博洛格开始研究影响赤霉素系统的突变,小麦和水稻才成为了今天的矮秆作物,能够抵御那些所谓的灾难性风暴。
利普曼和埃希德还提到了西红杮在欧洲、棉花在中国所经历的变化。在中国,科研人员利用影响成花素和抗花素的突变把这种在南方通常表现为无限生长的植物改变成了更紧凑、开花更早的灌木状植物,使其更适合中国北方的气候。西红柿中的一种抗花素突变也是将这种地中海藤蔓作物转化为当今世界农业系统中大规模种植的灌木状作物的催化剂。
变异微调
    核心系统——赤霉素、成花素或两者兼而有之——会受到突变的影响,从而产生一些有益的性状。这些有益性状被人类发现后,还需要多年艰苦的育种来调控这种突变的强度,直至达到育种目标。
    CRISPR基因编辑正在加速这一调控过程。利普曼和埃希德认为,基因编辑的最佳应用可能不仅仅是调控已经存在的革命性突变,而是识别或引入新的突变。这样不仅会减少进行这种调控的工作量,还有可能带来一些意外惊喜,进一步提高作物生产效率,或使作物更快地适应新的环境条件。
    通过将基因变异引入这两个核心系统,会有更大的空间创造更多的遗传多样性,这可能会提高生产力,改善植物在边际地区的适应性生存。
未来的机遇
    在世界上的许多地区都生长着所谓的“孤儿作物”(指只分布在局部地区,长期被人类忽视、尚未被充分利用的作物——译者注),它们的生长条件恶劣,抗逆性强,但产量性状不佳,如分枝过多、种子过小,易倒伏等。对其进行性状改良可以从三个方面入手,一是通过绿色革命遗传基因的突变,改善其倒伏性状;二是通过TB1等位基因,减少过度分枝;三是通过重新创建已知粒径基因的有益等位基因,获得更大的种子。
    从以动物产品为基础的饮食结构转变为以植物产品为基础的饮食结构,将需要更多的植物蛋白。因此必须从高热量的主食生产(如大米)转向高蛋白质生产(如豆类),并扩大豆科作物种植面积。豇豆、扁豆、羽扇豆和鹰嘴豆等豆科植物,都能从调节成花素/抗花素中获得立竿见影的好处。
    调节成花素/抗花素平衡,加速作物成熟,有利于机械收割,甚至可以将它们纳入城市垂直农业生产系统,丰富其产品种类(目前仅限于莴苣和一些类似的“绿叶蔬菜”)。而生物能源作物也可能受益于成花素/抗花素平衡的改变。例如,推迟柳枝稷的开花将促进其营养生长,从而提高生物产量。
    文章认为,过去的农业革命使农作物更加高产,种植的范围更广。鉴于成花素/抗花素和赤霉素/DELLA突变在过去引发了多次农业革命,因而在这两种激素系统中创造新的多样性极有可能会进一步释放农业的潜能。有办法用更多的农作物和更高的频率继续下一轮农业革命,这将是人类的福音。
 
(来源:sciencedaily网站)
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