顺境高产、逆境稳产，“环境智能”作物研究取得重大进展

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操团队发布了“环境智能型高产—稳产作物育种新策略”，该项研究进展于2024年12月14日在国际顶尖杂志《细胞》（Cell）上发表。这是我国在高产稳产作物育种核心技术上取得的重大突破。

专家表示，植物生理学有一个经典理论——源库理论，是植物光合作物产物分配和作物产量形成的生理学基础，在作物生产实践中发挥了重要指导作用。植物体内光合产物（如碳同化物蔗糖）从“源”器官（如叶片）向“库”器官（如根、茎、果实、种子等）运输与分配，负责碳同化物运输的输导系统及其运转速率被称为“流”。“增源、扩库、畅流”是作物栽培和作物育种中实现高产稳产的根本。

在实际生产中，作物周围的温度是实时变化的，如果能给作物源库关系调控的关键枢纽基因安装一个温度感应器，赋予其实时感应温度变化自动优化源库分配的能力，将有望在不额外增加农业资源投入的情况下，突破单产提升瓶颈，创制顺境高产、逆境稳产的“环境智能型”作物。

许操研究员团队聚焦番茄细胞壁蔗糖转化酶（Cell wall invertase, CWIN）这类源库关系调控的关键枢纽基因，突破高效基因敲入技术难题，为CWIN基因植入热响应元件分子开关，使作物获得了感应温度变化自动“扩库畅流”的能力。

在温室、大棚、露地等不同栽培模式条件下的多年多点单产测试发现，顺境条件下，该方法可使番茄产量提高14%-47%；高温逆境下，该方法培育的番茄种质比对照增产26%-33%，可挽回高温胁迫造成的56.4%-100%的产量损失，而且改良后的番茄果实均一度、糖度等品质性状在相应条件下显著提高。

通过关键技术拓展，研究团队进一步在单子叶植物水稻中测试CROCS育种策略在高产稳产育种中的应用潜力。经过多年多点水稻单产测试表明，顺境条件下，该方法可使水稻产量提高7%-13%，高温逆境下，HSE精准敲入的水稻品种比对照增产25%，可挽回高温胁迫造成的41%的稻米产量损失。

许操团队发布的CROCS环境智能育种全新策略建立了包括顺式调控元件筛选、靶向位点选择、瞬时表达验证、基因编辑器改造、种质测产与性状评价等一系列方法在内的高产稳产快速育种技术体系，首次在主要粮食和蔬菜作物中同时实现了“顺境增产，逆境稳产”环境智能型作物种质的快速创制，是不同作物通用的高产稳产快速育种技术体系，开启了环境智能型（Climate-smart）高产稳产作物育种的新时代。

过去几十年的生命科学基础研究已经鉴定出许多响应生物与非生物胁迫、养分吸收与利用以及共生微生物的顺式调控元件。这些顺式调控元件能够响应多种胁迫，如高温、低温、干旱、盐碱、光照、病原体侵害以及养分缺乏等。该系统为精准敲入环境感应分子开关，培育顺境高产逆境稳产的气候韧性作物铺平了道路，同时也为植物发育环境适应机制的基础研究提供了高效的基因编辑工具和可行的技术体系。

作者：农民日报·中国农网记者 李浩