瀚辰小课堂丨作物育种养活100亿人

产品介绍

  “Breeding crops to feed 10 billion”技术，结合高通量表型、基因编辑、基因组选择、从头驯化等其他生物育种技术，来提高育种效率，以应对未来需要养活全球100亿人的巨大挑战。



  0亿人口的挑战，但是我们也可以足够快的培育出更好更多种的作物吗？基因分型、分子标记辅助选择、高通量表型、基因编辑、基因选择和从头驯化等技术通过利用快速育种技术被激发，使育种学家能够跟得上一直在变化的环境和持续增长的人口。

  ‍未来30年，全球人口预计将增长25%，达到100亿。迄今为止，传统育种方法生产产量高的营养作物,可以收获相对足够的粮食,以满足一直增长人口的粮食需求。但目前主要农作物（小麦、水稻和玉米）产量增加的速度，不足以满足未来的需求。育种学家和植物学家面临的压力有：改善现有作物和培育出高产、更有营养、抗病虫害和适应气候型新作物。所以要利用各种手段提高育种效率，将最先进的技术与快速育种相结合，为将来满足100亿人口的粮食生成奠定基础。不像12000年前,如今植物育种者能应用大量的创新技术来提高育种效率和质量（图1）。举个例子，自动化高通量表型系统的发展给更巨大的人口数量带来了提高选择强度、提升选择精度的价值。二代意味着育种家可以负担的起使用DNA标记来辅助选择，并且促进了基因发现、形状解剖和预测育种技术。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍作物育种的一个关键制约因素是作物过长的生长周期，特别典型的就是一年‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍一生、两生的作物，能够最终靠利用延长的光周期和可控的温度这样的“Speed Breeding 快速育种”技术手‍‍段来缓解，将春小麦、大‍‍麦‍‍、鹰嘴豆和油菜的生长周期缩短至一半‍‍‍‍。‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍将最先进的技术和快速育种相结合为应对养活10亿人的挑战打下基础。‍



  快速育种发展史大约150年前，植物学家首次证明了植物可通过碳弧灯在人工光下生长。不久之后，我们评价了连续光对植物生长的影响。Arthur和他的同事报告说，在持续光照下，近100种植物中的大多数的开花速度更快，包括蔬菜、谷物、杂草、草本植物和花园观赏植物。在1980年代中期，NASA和犹他州立大学合作开拓在空间站持续的光照下种植快速循环小麦的可能性。这一一起努力的结果开发了一种矮小、生长周期快的小麦“USU-Apogee”。与此同时，1993年俄罗斯科学家提议测试“太空镜”，一种把黑夜变成白天的理论来提高地球农业生产率。在1990年，威斯康辛大学开始探索LED对植物生长的影响开始，随着LED技术的持续不断的发展，不仅使室内植物育种系统的成本越来越低，而且提高了作物产量。

  与双单倍体技术不同，双单倍体技术产生单倍体胚胎，染色体加倍，产生完全纯合子的品系，快速育种适用于不同的种质资源，不需要专门的实验室做体外培养。该技术利用最佳的光质量、光强度、昼长和温度控制来加速光合作用和开花，并结合早期种子收获来缩短世代时间。对需要特定环境线索来诱导开花的物种，如春化处理或短日照。当这些技术应用于可以高密度生长的小谷物，例如1000株/平方米，与开发大量自交系相关的空间和成本能够大大减少。种子切片和单株植物追踪条码技术的结合可以在一定程度上促进高通量标记辅助选择。为了加快植物研究的进展，可以在快速育种系统中进行诸如杂交、定位群体的开发和对特定性状的成年植物表型等活动。此外，快速育种能加速性状的回交和聚合（图2），以及转基因通道。



  小麦穗前发芽(Phs-A1)、小麦锈病(Lr34)、镰刀菌头疫病(Fhb1)和耐盐性(Nax1)为小麦优良品种。a，通过四轮回交和选择产生近等基因系(

  96%纯种)，结合两轮杂交(基因构建步骤1和2)，选择一个携带所有四个性状的纯合系(基因堆积步骤3)。ｂ、实现四种性状叠加的时间轴分别为田间(每年一代)、常规温室(每年两代)和快速繁殖温室(每年六代)。

  精心的策划可拿来创建一个DNA标记测试、快速育种和现场评估的通道。第一个采用快速育种技术开发的春小麦品种“DS Faraday”于2017年在澳大利亚发布。在这种情况下，快速育种被用于加速抑制作物成熟时萌发的籽粒休眠基因的渐渗，由此产生具有提高对收获前发芽的耐受性的高蛋白碾磨小麦。对于没有大型设施的研究人员，可以建立小型、低成本的快速繁殖单位。快速育种还能加速发现和利用地方品种和作物野生近缘种的等位基因多样性。例如，利用快速育种对瓦维洛夫小麦收集的叶锈病抗性进行筛选，以及与已知基因相关的DNA标记，发现了新的抗性来源。

  表型产生于基因型和环境之间的相互作用，包括光合机制的荧光特性、生长速率、抗病性、非生物胁迫耐受性、总体形态、物候学，以及最终的产量成分和产量。稳健的表型是植物育种的核心，因为它是选择品种培育新品种的主要基础。因此，表型方法的改进必须平衡提高的准确性、速度和成本。虽然“育种者的眼睛”可能永远都不可能被取代，但工程能增加育种者所看到的东西，并告知更好的基于表型的选择。创新是多方面的，包括机器人技术植物成像（使用输送机、移动陆地车辆和无人机），在可见波和长波光谱中有多达数百个光谱波段。这使得利用计算机视觉和机器学习对植物的生长和功能进行无破坏性监测，以处理图像和提取有价值的信息（特征）。利用高度连接的环境监视测定，可以自动地得到关于植物生长环境的相应信息（）。结合起来，这些技术为提高表型准确性和降低其成本提供了令人兴奋的机会。这种平台，即在受控环境中部署的平台的早期例子是植物加速器（），它在解决需要受控环境变化的问题时仍然具备极其重大的作用。更便宜的、基于现场的平台正慢慢的变强大和有用，特别是随着无人机更容易获得，这些无人机有合理的飞行时间，可以携带大量的有效载荷。这个新一代表型的主要持续挑战仍然是数据处理和图像处理。计算机科学家的持续贡献将对保持加快速度进行发展至关重要。随着基因组学的加快速度进行发展，更好的表型工具正在引领加速育种计划。

  育种家们通过天然存在的或实验室控制群体结构来理解表型-基因型之间的关联性，表型分析也随之发展。例如，这一些方法已经成功地绘制出了影响复杂表型的遗传区域，如水稻的产量成分和高粱的高度。将这些技术与基因组辅助育种方法相结合，可以更快地改善作物品系。

  田间种植作物表型创新只能与目标环境和快速育种条件之间的快速育种相结合，以便选出在目标环境和快速育种条件（如长日照时间和人工光谱）之间均保持稳定的性状。耐受某些害虫和疾病的抗性表型分析也可以整合到快速育种研发线中，以进行单一性状的表型分析，如一些形态特征和能力，能保持植物生长在次优条件下（例如，与凉爽的日子或温暖的夜晚），可能使植物应对特定的非生物压力。将快速育种设施与自动化高通量表型平台相结合，将进一步加速位点和基因的发现，以及鉴定特定基因对植物生长发育的影响。

  通过使用低成本的计算机和其他硬件，表型平台正变得廉价和容易获得。而且，尽管在受控环境中进行表型有优势，但对于简单的疾病性状，表型最好在多个现场试验中得到证实。对于更复杂的性状，包括耐旱性或产量，必须在目标环境下的田间进行表型分析。

  作物改良的快速编辑基因编辑和转基因性状的优势能够最终靠将这些工具整合到快速育种管道中更快地实现。许多第一代基因编辑应用仅依赖于一两个非优良基因型，这些基因型能够从植物组织培养和转化中再生。最近发展起来的技术甚至为一些优良基因型提供了高转化效率。应用基因编辑仍然需要耗费时间进行组织培养，以及具有适合使用Cas9基因和单导RNA (sgRNA)序列进行基因操作的专门实验室。



  为了避免实验室中植株再生的问题，Cas9基因和sgRNA序列可以直接应用于植物。从分离的后代中筛选出新的性状(例如，抗病性)，并且识别出缺乏Cas9基因但含有新性状的植物。或者，Cas9可以留在“CRISPR-ready”植物中，通过将sgRNA应用于不同的基因靶点，这些植物就可以经历更多的编辑周期。

  在CRISPR基因编辑中，sgRNA将Cas9酶引导到目标DNA位点，Cas9切割该位点切割DNA。可以创建包含异源Cas9基因的“CRISPRready”基因型。例如，携带Cas9转基因的转化植株可当作供体，利用速度标记辅助回交创建一系列优良自交系。如下所述，有不同的方式来传递sgRNA进行靶向基因组编辑。然而，这种技术仍将产生受调控的转基因植物，随后编辑的转基因(s)位点，在大多数情况下，将需要Cas9和一个可选择的标记基因。

  在没有组织培养的情况下整合基因组编辑和快速育种需要许多技术突破，最佳结果是不需要组织培养或应用外源DNA的等位基因修饰，因为这些将避免转基因生物标签（图3）。它已被广泛证明，能轻松实现单一或多重编辑，这现在能够正常的使用以下无组织培养技术来实现。

  举个例子， 例如，能够正常的使用CRISPR-Cas9核糖核酸蛋白复合物进行基因组编辑。这被应用于许多物种中，包括小麦、玉米和马铃薯(茄属)。目标组织一般是未成熟的胚胎或原生质体，在理想情况下，这种方法将用于优化成熟的种子或发芽的幼苗。表型可以在后代中显现，允许性状的堆积。另外,粘土纳米片可以传递Cas9蛋白质和sgRNA。粘土纳米片还可用于向植物传递，使其具有抗病毒能力。RNAi在植物中持续数周，并在整个植物中移动。病毒载体可以传递Cas9和sgRNA成分，如双病毒载体，或通过成熟种子的茎尖分生组织的planta粒子轰击，或在不培养愈伤组织的情况下通过生物DNA传递，使编辑机制进入细胞，如小麦。该方法可将预组装的Cas9-sgRNA核糖核酸蛋白导入植物茎尖分生组织中，产生基因编辑或将编辑机制导入花粉和花序组织中。

  ‍标记辅助选择(Marker-assisted selection)是一种利用连锁DNA标记跟踪少量基因或性状的方法，已成功地应用于很多作物育种项目中，目的是寻找具有较大效应突变的性状。相比之下，基因组选择使用全基因组DNA标记来预测培育个体复杂性状的遗传优点。这项技术的发展是为了了解复杂的性状，如产量，这些性状受到大量基因和/或调控因子变异的影响，通常每个变异的影响都很小。通过与全基因组DNA标记连锁不平衡效应来捕捉这些变异的影响，例如，单核苷酸多态性（）。还有在大参考样本和群体中评估标记的影响，在群体中测量个体品系的基因型和性状。只要估计了标记的影响，就不难得知培育的候选品系基因型。然后，为了评估每个候选育种品系的价值，估计它们的基因组育种值(GEBVs)作为它们携带的标记等位基因的标记效应之和。选择具有高GEBV的植株作为下一代亲本。基因组选择相比传统育种的一个优点是，可以较早地在多个发育体系中选择利用品系作为亲本；并且基于GEBV的多个育种周期可以在与传统育种单个周期相同的时间内完成。对那些通常在生长发育后期（评估阶段，图4）做测量的性状和表型分析成本较高（如产量）的性状，基因组选择在节约时机和资源方面有着较好的优势潜力。基因组选择正在大规模地用于个人的作物育种项目，例如玉米育种。Cooper和 Gaffney 等人说明了由基因组选择产生的耐干旱玉米杂交种在工业生产规模下评估的影响。这些变异品种(“AQUAmax”杂交品种)现在广泛种植在农民的土地上。对农业生产数据的评估表明，无论是有利还是干旱胁迫条件下，AQUAmax玉米杂交种的产量都明显提高，在水资源有限的情况下提高了产量稳定性，降低了农民面临的风险。

  为了获得更大的产量，能够正常的使用基因组选择同时选择多个优秀性状。例如，为了选择产量提高的植物，能够正常的使用多性状分析方法来提高选择的准确性，该方法有在早期高通量测量性状的表型分析，如冠层温度和不同植被指数，以及关于产量的GEBV。另一个例子是测定关于最终用途的性状，这是小麦育种计划中最后要测定的性状之一。利用红外和核磁共振光谱分析，再结合DNA标记预测得到准确的GEBV。这些值可拿来选择具有理想性状的植物，在育种周期中，比其他方法的利用更早。

  ‍基因组选择的最大好处是当结合其他技术时，能（i）减少一代间隔和（ii）包括影响目标性状或特征的致病突变的精确位置，因为在这种情况下预测不再依赖DNA标记和致病突变之间的连锁不平衡。由于快速育种可以大幅度减少世代间隔，通过在每一代应用基因组选择来挑选下一代的亲本，可以大幅度增加这种方法的遗传增益。目前，基因组选择的最严重的问题是基因分型成本过高。为减少成本，隔两代或三代才应用基因组选择，或者只选择那些在快速培育周期中表现出超过阈值的良好表型（例如一些抗病性）。利用高通量测序的新基因分型策略，如rAmpSeq，可以明显降低基因组选择的基因分型成本。尽管在某些情况下已经发现了SNP单核苷酸多态性，但许多性状的病因SNP的精确位置是未知的。如果这些多态性发生在野生或非优良种质资源中，一个可能的策略是采用ExperessEdit方法通过基因工程，将SNP导入优良的材料中，然后通过全基因组DNA标记，使用基因组选择来选出编辑的基因和其他成千上万个影响所需性状的SNP（图4）。另一个有前途的选择是将基因组选择与快速抗病基因克隆技术相结合。虽然标记辅助选择可用于转移具有较大影响的抗性基因，但将该方法与基因组选择相结合能够在一定程度上帮助积累和维持有助于有效抗性的微小基因变异。这种方法可能会减少病原体变异后克服抗性基因的选择压力。



  育种策略的可视化表示和传统育种与利用双单倍体育种(DH)、快速育种(SB)、基因组选择育种(GS)和快速编辑 (剪刀表示)的周期长度比较。粉色底纹表示在快速育种条件下进行的步骤，绿色底纹表示在常规条件下进行的步骤。一个箭头表示一个世代。曲线箭头表示育种中的步骤，在这些步骤中，通过田间测评或基因组选择最佳品系，利用其作为亲本来进行新的杂交。

  基因组选择也能够适用于在整个基因组中堆叠有用的单倍型，从而从群体中分离的现有单倍型中创建一个最佳的种植品系。例如，基因组区域可以通过连锁不平衡块来定义。单倍型GEBV被定义为单倍型标记效应的和。然后，可以为基因组的每个部分识别出具有最佳GEBV的单倍型，并且这些最佳的单倍型可通过最佳的杂交模式堆叠在单个个体中。具有理想的基因编辑位点或抗病等位基因的单倍体可设为为特定基因组区域的“最佳”单倍体，并在最终个体中组合。当与快速育种相结合时，这种叠加方法可用于快速开发具有多种性状的新型作物品种。

  植物驯化（植物选择培育）是一个漫长的过程，选择突变的一系列性状，最终使植物可培养。通过对野生物种的新驯化来模拟这一过程可能是培育现代品种的另一种方式。这提供了获取驯化基因库中没有的基因和性状的途径。驯化通常与多倍体有关：事实上，大多数作物都是多倍体的。然而，由于与亲本的有性隔离和多体遗传，多倍体作物改良十分复杂。通过多倍体重建的快速再培养是从野生物种中引入新的基因和等位基因的直接方法。这种再培育过程能够最终靠快速育种来加速。可通过这种方法培育多倍体作物花生(Arachis hypogea)和香蕉(Musa sp.)。花生是异源四倍体，由野生二倍体AA－和BB－通过秋水仙素和多次回交选择得到。在培育花生的多次选择步骤中，快速培育缩短了再培育的时间。在香蕉中，多倍体AA，BB通过杂交得到AAA、AAB和ABB。基本多倍体事件的少量发生，加上多年生植物在全球范围内的无性系繁殖，对毁灭性疾病几乎或就没有抵抗力，加剧了遗传多样性狭窄造成的问题。在香蕉、花生中，通过利用不一样二倍体和快速培育，合成多倍体能够获得新性状，包括抗病性，也有助于新品种的快速发展。此外，在香蕉中，直接编辑现有的三倍体优良品种，可以在短期内快速得到改良系，从而避免了重新合成三倍体所需的成本和时间。

  为了避免多体遗传，在某些物种中，能够正常的使用具有所需性状的供体在二倍体中繁殖，然后通过未减少（缩短缩小）的配子和/或倍体间杂交（交叉）重新构成多倍体。与直接育种多倍体相比，该方法所需的时间和资源更少，为培育新品种提供了一条有效的途径；可通过于一些作物上，如香蕉和土豆。同样，快速育种可以在加快杂种生长方面发挥作用，以便做评估和进一步的杂交和选择。以香蕉为例，育种工作是在二倍体优良品系和野生近缘种之间进行，然后对选定的二倍体进行杂交（二倍体杂交种），并对选定的二倍体进行染色体加倍，以快速产生间倍体杂交（即 4x× 2x），从而培育出无籽三倍体。香蕉植株很大，周期很长，从杂交品种的产生到初步评估长达三年。同样，快速育种可能在加速杂交品种的评估和进一步的杂交和选择方面发挥作用。

  新物种的其他选择培育的途径包括已知的基因工程。在农作物和野生物种中通过CRISPR－Cas9进行基因组编辑，得到与再选择培育有关的基因。基因工程得到的新再培育系可以直接作为农作物，也可以与优良品系杂交得到新的优良性状。

  编辑技术和诱变技术结合快速培育也能应用于培育健康食品——例如,增加维生素B9的水稻或去除藜麦中的皂苷等有害蛋白质、芸苔属种子的抗营养硫代葡萄糖苷和草豌豆的神经毒素等。基因编辑驯化是一种令人兴奋的途径，能够最终靠生产可以直接与遗传阻力小的先进品系杂交的品系来快速利用作物野生近缘植物的基因库。与快速育种结合，这些工具提供了快速获取新的遗传变异，并意味着加速部署这种变异到种植者的领域。

  LED技术创新性地结合了扩展的光周期和早期种子收获，使加速育种得到了更广泛的应用。但进一步提升速度还有多大空间?加速育种的目的是优化和整合影响植物生长和繁殖的参数，以减少世代和观察表型所花费的时间，特别是观察那些在发育后期出现的表型。我们如何定制加速育种，以满足多种作物、品种和表型的具体要求?

  在许多物种中，母体植物在胚胎发育过程中种子是处于休眠状态。种子的休眠可以在收获后立即被打破，通过冷分层，即种子在低温下吸水或使用促进发芽的激素，如赤霉素(图5a)。早期收获小麦和大麦种子，在开花后第14天，接着是干燥的第3天和冷分层的第4天，与成熟的种子相比，打破休眠能够大大减少大约15天的生产时间(图5b)。类似的方法也被应用于扁豆。更早的收获能够最终靠利用胚胎来实现，成花12天后，培养2-3天后发芽率达100%。这种方法避免了给种子干燥和分层，至少缩短了8天的生产时间。

  有些植物要比较长时间的冷处理（春化）来介导向开花的过渡；冬小麦品种需要6到12周。控制春化的分子成分在许多植物中都已知。短暂地操纵这些控制点-例如，通过下调中央调节器VERNALISATION 2-可以导致“快速春化”的发展（图5c)。

  高温会导致水蒸气不足，阻碍植物生长和花粉发育；然而，当允许的水蒸气水平保持不变时，（高温使）营养生长和衰老的速度加快。这已经在玉米中得到了证明，尽管植物在较高的最低（夜间）温度下容易受到粮食产量的一下子就下降。当已知植物的温度敏感性时，就非常有可能在适当的生长阶段进行高温干预，以加速生长。在面包小麦中，在减数分裂期间发现了一个籽粒产量下降的温度敏感期（图5d.ii）。因此，在营养生长过程中能够使用高温，而在生殖阶段能保持低温来维持籽粒的发育（图5d.i）。

  昼长和光照质量的变化能加速植物的生长（图5f）。较长的日照促进中性或长日照植物的生长，而光合作用优化的光质量能大大的提升初级产量。此外，红光与蓝光的比值对开花也很重要，在小麦中，这在粉红色光下最早被诱导，其比值约为1。现有的速度育种系统的一个特点是使用led来改善光质量和降低操作成本。相反，激光可拿来逐步降低成本，因为它具有更高的电转换效率，40-60%的能量被转换为光，这取决于光的颜色。除了促进生长和增加能源输入的回报，激光还可以在生长柜或温室外产生，在植物内部发射，然后分散在植物上，消除了在可控环境下使作物研究昂贵的大量冷却成本。土壤一直是植株成功培养的关键。但是，

  尽管有这些潜在的好处，但一定要注意优化营养供应，从而避免不良影响，如无感的叶子和不同步成熟。

  增加二氧化碳浓度还会提高其他对光合作用重要的输入（如光强度和质量）的饱和阈值，并通过减少气孔孔径来抵消高温引起的水分损失。同样，提升二氧化碳升高的非消极作用在大多数情况下要优化的水和营养供应。因此，如果这些输入不受限制，水培法可以释放植物的全部生长潜力。根据目标（快速循环、快速杂交或快速表型）和所使用的植物种类，参数将需要相对于权衡来优化。例如，Zeng等应用水分胁迫，在80厘米的小井中种植植物；他们的结果预计允许每年有8代小麦，但每株只有2到3粒种子。



  ａ、通过分层或施用赤霉素(GA3)等植物激素来打破种子休眠。b、能够尽可能的防止种子成熟来减少世代时间;收获未成熟胚胎节省的时间最多，但需要在体外培养，而一些种子(如小麦和大麦)能提前收获，并在进入下一代之前干燥。ｃ、如果能取消春化，这将减少冬季作物的生产时间。d，高温促进植物生长(1)，但在热敏期应避免高温，以防止发育停滞，如在小麦减数分裂期间(2)。e，日光、高压钠蒸气(HPS)灯、LED和激光的光谱分布。红色和蓝色矩形代表植物光合作用中可通过的波长。给出了人工光源从电到光的转换效率。f，增加日长会减少长日作物和日中性作物的生产时间。g,h，优化光强和二氧化碳浓度。与土壤相比，水培能够在一定程度上促进生长，因为二氧化碳和其他有害溶质可以从根部循环出去，同时使根系暴露在更多的氧气和营养的东西中。

  对于一些作物来说，快速育种和与其他育种技术的整合没办法实现，因为它们对延长的日照长度敏感，或者因为额外的光线不能加速性成熟的时间。例如，番茄对持续的光很敏感，但研究人员已经确定了一种番茄基因，使植物能够耐受持续的光，当把这个基因转移到一个在快速育种条件下生长的品种中时，果实产量增加了20%。同样，遗传或环境解决方案可以使其他顽强作物实现快速育种，如短日照物种如玉米，和二年生物种如甜菜（表1）。利用海水的蒸发冷却系统、有选择性地传输促进植物生长的波长的半透明太阳能电池板，以及更高效的照明系统（例如，激光）等创新，能够更好的降低未来的快速繁殖成本，并扩大使用范围。

  在过去的100年里，植物育种提供的高产作物能维持人口持续增长。利用一套现代育种技术开发下一代作物品种，将满足未来几十年人口增长的需求。

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