給作物裝上“環境智能”開關

來源:中國科學報

辛辛苦苦一季度,改良的品種竟被老鼠吃了。

2023年5月,中國科學院遺傳與發育生物學研究所(以下簡稱遺傳發育所)博士生婁煥昌在海南對其團隊開發的“環境智能”基因編輯水稻進行小區測產。看着被老鼠啃得光禿禿的稻稈,蹲在田裡的婁煥昌欲哭無淚。

從最初構思“環境智能”設計育種路線,到開發基因編輯工具,再到經過無數次摸索將基因片段精準敲入、建立育種技術體系,並在田間篩選出純合品種,這項研究他們已經開展了3年多。

正當大家滿懷期待時,婁煥昌不得不硬着頭皮嚮導師許操彙報——這次試驗“砸了”。出乎意料的是,導師非但沒責備他,反而安慰他“這是好事”。

“老鼠愛大米,它們比我們看得準。你看,它們只吃改良品種,說明這些稻米確實飽滿。” 遺傳發育所研究員許操說。

經過5年研究、測產,研究表明,許操團隊提出的“環境智能”作物設計育種策略行得通——既能在順境中實現高產,又能在逆境中保持穩產。

12月14日,相關成果發表於《細胞》。審稿人表示,該研究爲解決全球變暖引發的糧食安全問題提供了行之有效且前景廣闊的育種策略。

巧妙育種,讓植物更“皮實”

2020年一次課題組組會上,許操和團隊成員想通過“頭腦風暴”凝練出一個“大科學問題”——既具有前沿探索價值,也貼合國家重大需求,同時又挑戰世界生物育種科技制高點。

他們將目光迅速鎖定在應對氣候變化對農業帶來的嚴峻挑戰上。

隨着全球氣候變化的加劇,農業災害頻發、作物大幅減產。許操查閱相關數據發現,僅在2023年,我國農作物受災面積就達到1.58億畝,產量損失超過1000億斤,直接經濟損失3454.5億元。

即便在農業設施相對完善的發達國家,因氣候變化導致的農業減產也平均達到8%~10%。若以此推算,全球主要農作物一年的保守減產量可達2萬億斤,這無疑爲解決全球飢餓問題增添了重重困難。

如何應對這一嚴峻挑戰?許操認爲:“要讓植物變得更加‘皮實’,對氣候環境變化更有韌性,進一步打破現有單產提升的瓶頸。”

但這在實際農業生產中並非易事。爲適應環境變化,高等植物進化出一套十分靈敏的“生存-防禦”策略。在遭遇高溫逆境時,它們會調整營養分配策略,節省能量,減少果實營養供給,只保障少數種子存活用以繁衍後代,從而導致大部分果實發育不良、產量下降。這會造成番茄等果蔬植物落花落果、果實大小不均、糖度低,也會讓水稻、小麥、玉米、大豆等穀物出現癟殼、禿尖、空莢等現象。

這些現象正是百年經典理論——“源-庫”理論中的典型問題。“源-庫”即植物體內光合產物從葉片等“源”器官向根、莖、果實、種子等“庫”器官運輸與分配的過程,也被稱爲“源-庫-流”。這一過程除了具有科學意義,還蘊藏着讓作物增產的巨大潛力。事實上,僅與植物“源”器官中光合作用相關的研究,就已催生了6項諾貝爾獎。

如何通過人工設計讓“源-庫-流”釋放增產潛力?許操團隊提出“環境智能”設計育種策略,確立了“順境增產、逆境穩產”的攻堅目標。他們深入研究了“源-庫-流”中的關鍵樞紐基因——細胞壁蔗糖轉化酶(CWIN),該基因可將光合作用產生的蔗糖轉化爲葡萄糖和果糖以幫助果實發育。他們還建立了一套高效的植物引導編輯技術體系,給細胞壁蔗糖轉化酶安裝了一個“溫度感應器”——熱響應元件(HSE)。這一創新設計使得作物能夠自主感應溫度變化,並根據環境條件靈活調控體內營養物質的分配,實現“按需分配,精準遞送”。

“過去,一旦植物遭遇逆境,細胞壁蔗糖轉化酶的活性就會被抑制,不能有效‘卸載’和‘轉運’蔗糖,果實和種子就會缺乏必要的營養。”許操說,“而現在,我們的作物能夠通過溫度感應器自主判斷環境條件,在順境時向果實多運輸營養並進行儲存,實現高產;在逆境時則上調細胞壁轉化酶的表達,緩解果實的‘糖飢餓’狀態,保證果實的穩產和品質。”

中國科學院院士、清華大學教授謝道昕評價稱,許操團隊採取了一種非常巧妙的育種策略,解決了高溫導致的“流”滯、“庫”虧問題,對未來作物的智能分子設計育種具有開創意義。

打通“關卡”,實現增產

打通“環境智能”設計育種的技術“關卡”後,許操團隊培育出“T0代”(初代基因編輯)材料。接下來,改良種質的田間測產成爲他們的新戰場。

爲了模擬真實農業災害環境,研究團隊除了在自然條件下按照時令或延後時令進行田間試驗外,還採用溫室大棚、“棚中棚”等不同栽培模式模擬不同的溫度條件。“七八月份,我們在溫室中設立的‘棚中棚’,日平均溫度可達45攝氏度,這樣可以更好地評估改良後的番茄在開花、結果時遭遇真實逆境時的產量。”婁煥昌對《中國科學報》說。

在田間工作期間,婁煥昌還掌握了“搭棚技能”。一開始因爲缺乏經驗,他搭的平頂棚總被雨水壓壞。他又改用“屋脊”狀的高棚頂,但沒料到棚頂風阻太大,棚經常被風吹倒。於是,他向附近的農民“取經”,將棚頂改造成拱形頂,終於讓它們經得起風吹雨打。

遺傳發育所助理研究員黎舒佳告訴記者,她曾在許操建議下向農民學習“打叉”,控制番茄的側枝生長。“在實驗室中,我們通常在側枝長到5釐米時就剪掉。但在實際生產中,打叉的時間和方法對產量的影響要複雜得多。比如,夏季打叉的時間要稍晚一些,以控制植物生長過旺;冬季打叉則要及時,以避免有限的光合作用產生的營養被側枝分走。”

“沒有地氣的農業科技研究就像沒有鍋氣的菜餚,味兒不足。”許操說。

一個個看微似不足道的經驗積累,極大磨礪了團隊成員的意志。他們從北京到海南跨越數千公里,連續4年一茬茬地進行測產試驗。正如《細胞》審稿人所說,他們的努力取得了“令人興奮”的成功。

研究團隊發現,順境條件下,植入溫度感應器的番茄產量提高了14%~47%;高溫逆境下,改良後的種質更是比對照增產26%~33%,可挽回高溫脅迫造成的56.4%~100%的產量損失。出乎意料的是,新技術還解決了一串果實從近到遠大小不一、糖分口感不均的問題。

“我們的碳同位素示蹤實驗表明,溫度感應器的精準敲入保證了糖分向果實的運輸,使改良後的番茄果實在均勻度和糖度等品質性狀上都有了顯著提升。”黎舒佳說。

通過關鍵技術拓展,研究團隊進一步發現,順境條件下,該方法可使水稻產量提高7%~13%;高溫逆境下,突變後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。

“我們選取的樞紐基因和熱響應元件在植物裡都是通用的,希望建立一套通用的育種技術,讓主糧、蔬菜、經濟作物都能夠旱澇保收。”許操說,除了高溫逆境育種,該團隊還在開展光照、水分等“環境智能”作物育種,以期爲保障我國糧食安全提供新的育種策略。

守正創新,開啓智能育種新時代

在許操看來,當前我國番茄產業儘管年產值已達1800億元,但仍大而不強,品種夠用但不夠好,種子不如發達國家高產、穩產、好吃。

“我國一粒番茄種子的價格約爲0.5至1元,而高端、好吃的番茄種子價格一粒高於20元,按重量算的話,價格比黃金還貴。我國85%的高端番茄種子需要依賴進口。”許操說,“2020年相關統計數據表明,我國每平方米番茄的平均產量爲5.9千克,而荷蘭平均爲50.7千克。2022年,荷蘭在引入人工智能、數字孿生技術後,每平方米番茄產量甚至可達121千克。”

“很多人說我們的番茄產量夠高了,其實還遠遠不夠。我國爲什麼要推動‘蔬菜進棚果樹上山’?歸根到底是要拓展種植空間,儘量不與主糧爭土地。如果我們突破育種關鍵核心技術,進一步大幅提高產量和品質,就能節省大量土地。”許操補充說。

目前,許操團隊已經收集了2000多種番茄種質資源,他們正圍繞從頭馴化、環境智能育種、機器人育種3個關鍵技術領域開展智能設計育種攻關,以期培育出好吃、抗逆、營養保健的高產新品種。同時,研究團隊培育的若干番茄新種質,已經在成果轉化的路上。(馮麗妃)