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【Nature】全面綜述提高作物產量的方法!

 Nature iPlants

 

 

2019年11月6日,Nature雜志在線發表了來自美國加州大學圣地亞哥分校Julian I. Schroeder課題組等題為“Genetic strategies for improving crop yields”的綜述文章。該文章討論了利用植物科學解決綠色革命后農業挑戰的潛力,并探索了在氣候變化中增強作物可持續生產。 此外,該文還認為加速作物改良必須利用自然進化的性狀和合成生物學。

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1960年代的綠色革命使主要的主糧作物(小麥,玉米和大米)的產量急劇增加,從而滿足了全球人口不斷增長的需求。這主要依賴于優良品種育種及雜交作物的發展、肥料的應用以及通過大量公共投資來提高管理水平來實現的。到1980年代,通過基因改造使作物具有抗除草劑和抗蟲的特性,大大減少了土壤耕作和殺蟲劑的使用。最近的基因組技術加快了育種和性狀的發展,從而提高了環境適應能力和生產力。同時,作為育種方法的補充,通過使用CRISPR-Cas技術進行基因組定向編輯,改造基因及信號途徑的時空調控進展日益加快。

 

未來幾十年的農業必須在高度變化的氣候中滿足對營養食品和動物飼料的需求,并且還必須減輕農業對環境的影響。應對挑戰的關鍵是對遺傳變異以及分子,細胞和發育途徑的更深入了解,植物通過該途徑動態響應其環境和病原體并與其互動,同時保持生長,養分利用效率和適應性。一個重要且新興的重要目標是優化光合作用,水和養分利用的效率,包括促進植物與微生物之間的有益相互作用,從而促進養分的獲取。該文回顧了植物科學領域的進展和后綠色革命的挑戰及展望了未來發展的方向!

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1. 預防和抵抗新的疾病
 在蛋白質結構水平上闡明受體-病原體識別和激活機制的進展為合理設計受體蛋白提供了策略,這些受體蛋白可以攔截更廣泛或替代的疾病因子。然后可以將新設計的抗性性狀轉移到農作物的優良品種中,以賦予對現代疾病的抗性。如在田間試驗中,將抗白粉病的小麥Pm3e抗性基因轉移到易感小麥品種上產生了有效的抗病性。此外,將具有來源不同種質的識別模式和環境最佳條件的幾種抗性基因堆疊到單個背景中,是獲得更持久的抗病性的可靠策略。另外,考慮到當前的氣候趨勢,要在高產作物上獲得持久的抗性,就需要對病原體種群動態和植物寄主對溫度的反應有更多的了解。

 

2.抵御非生物脅迫
與氣候變化相關的非生物脅迫破壞了產量,包括洪水,干旱,土壤鹽分和極端溫度。通過鑒定與關鍵性狀和信號轉導途徑相關的基因,隨后進行育種或工程改造來改善作物。

 

3. 優化光合作用以提高產量
現代農作物在迅速散布其葉冠層以最大程度地攔截光線以及將碳和營養物質分配到種子方面非常高效。然而,農作物通過光合作用將吸收的光能轉化為糖的效率不高。理論目標包括擴大和優化由葉冠層捕獲的光,在光系統II上更快速地師范非光化學猝滅,增加Rubisco酶的羧化能力以及最小化氧合和光呼吸,增強光合酶的再生能力,減少碳循環,優化電子傳輸鏈,將農作物從C3代謝轉變為C4代謝,并添加藍細菌或藻類系統的成分來泵送CO2或分隔Rubisco等等途徑。

 

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4. 大氣中二氧化碳的增加和植物失水
對于通過光合作用固定的每個碳原子,農作物都會通過葉片的氣孔孔損失100至400個水分子。葉片內部CO2濃度的增加導致氣孔孔徑的減小。大氣中二氧化碳的持續增加使氣孔變窄,這可以提高農作物的用水效率。因此,需要對CO2響應途徑有一個完整的了解,以優化和測試現場的用水效率和氣體交換策略。

 

5. 減少肥料使用的技術

作物的產量在很大程度上取決于目前主要通過施用無機肥料提供的充足營養。平衡光吸收和養分吸收對優化產量至關重要??梢酝ㄟ^改變控制生長和養分利用的轉錄因子的平衡來彌補氮的不足。育種還可以通過優化生根系統,養分轉運活動和分配來減少養分失衡。在自然生態系統中,植物經常與有益的微生物接觸,這些微生物有助于攝取有限的養分,因此需要更多的研究來從農業中的菌根結合中獲得收益。

 

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論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1679-0

 

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