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環(huán)境智能!高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)!中國科學(xué)家新成果開啟作物育種新時代

時間:2024-12-23 08:40:49 來源:下愚不移網(wǎng) 作者:休閑 閱讀:497次

  中新網(wǎng)北京12月14日電 (記者 孫自法)民以食為天,環(huán)境食以糧為先。智能中國作物長期以來,高產(chǎn)糧食安全議題在全球廣受關(guān)注,穩(wěn)產(chǎn)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??茖W(xué)開啟

  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(tuán)隊(duì)基于植物生理學(xué)經(jīng)典理論“源庫理論”,家新通過持續(xù)攻關(guān)讓理論成為現(xiàn)實(shí),成果最新研發(fā)出不同作物通用的育種高產(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。環(huán)境

本次研究成果相關(guān)示意圖。智能中國作物中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所 供圖

  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(xiàng)重大突破的高產(chǎn)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(xì)胞》(Cell)上線發(fā)表。穩(wěn)產(chǎn)業(yè)內(nèi)專家稱,科學(xué)開啟該研究開辟了環(huán)境智能精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種新路徑,家新將為突破作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種瓶頸,成果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(diǎn)選擇、瞬時表達(dá)驗(yàn)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(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(zhǔn)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(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)際問題

  許操研究員長期從事作物發(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,“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(shí)、種子等)的運(yùn)輸與分配過程,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”。

許操研究員展示使用環(huán)境智能育種全新技術(shù)生產(chǎn)的番茄。中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所 供圖

  “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(shí)和種子產(chǎn)量和品質(zhì)低下?!霸鲈?、擴(kuò)庫、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??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,作物周圍的溫度是實(shí)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(shí)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(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)輸來的蔗糖在花、果實(shí)、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(shí)種子發(fā)育的必需營養(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)元件分子開關(guān)(HSE),使作物獲得感應(yīng)溫度變化自動“擴(kuò)庫暢流”的能力。

許操研究員(右二)與科研團(tuán)隊(duì)圍繞使用環(huán)境智能育種全新技術(shù)生產(chǎn)的番茄進(jìn)行交流討論。中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所 供圖

  研究團(tuán)隊(duì)在溫室、大棚、大田等不同栽培模式條件下,對番茄多年多點(diǎn)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(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(diǎn)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(zhǔn)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(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)。(完)

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    (責(zé)任編輯:焦點(diǎn))

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