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許操（右二）與團隊成員在京郊實驗基地,。受訪者供圖

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(fā)育生物學研究所（以下簡稱遺傳發(fā)育所）博士生婁煥昌在海南對其團隊開發(fā)的“環(huán)境智能”基因編輯水稻進行小區(qū)測產(chǎn)?？粗焕鲜罂械霉舛d禿的稻稈,，蹲在田里的婁煥昌欲哭無淚。

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

正當大家滿懷期待時,，婁煥昌不得不硬著頭皮向導師許操匯報——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(fā)育所研究員許操說,。

經(jīng)過5年研究,、測產(chǎn)，研究表明,，許操團隊提出的“環(huán)境智能”作物設計育種策略行得通——既能在順境中實現(xiàn)高產(chǎn),，又能在逆境中保持穩(wěn)產(chǎn)。

12月14日,，相關成果發(fā)表于《細胞》,。審稿人表示，該研究為解決全球變暖引發(fā)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(zhàn)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(nóng)業(yè)帶來的嚴峻挑戰(zhàn)上。

隨著全球氣候變化的加劇,，農(nóng)業(yè)災害頻發(fā),、作物大幅減產(chǎn)。許操查閱相關數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),，僅在2023年,，我國農(nóng)作物受災面積就達到1.58億畝，產(chǎn)量損失超過1000億斤,，直接經(jīng)濟損失3454.5億元,。

即便在農(nóng)業(yè)設施相對完善的發(fā)達國家，因氣候變化導致的農(nóng)業(yè)減產(chǎn)也平均達到8%~10%,。若以此推算,，全球主要農(nóng)作物一年的保守減產(chǎn)量可達2萬億斤，這無疑為解決全球饑餓問題增添了重重困難,。

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

但這在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中并非易事,。為適應環(huán)境變化,，高等植物進化出一套十分靈敏的“生存-防御”策略。在遭遇高溫逆境時,，它們會調(diào)整營養(yǎng)分配策略,，節(jié)省能量，減少果實營養(yǎng)供給,，只保障少數(shù)種子存活用以繁衍后代,，從而導致大部分果實發(fā)育不良、產(chǎn)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、大豆等谷物出現(xiàn)癟殼,、禿尖,、空莢等現(xiàn)象。

這些現(xiàn)象正是百年經(jīng)典理論——“源-庫”理論中的典型問題,?！霸?庫”即植物體內(nèi)光合產(chǎn)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，也被稱為“源-庫-流”,。這一過程除了具有科學意義,，還蘊藏著讓作物增產(chǎn)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(chǎn)潛力,？許操團隊提出“環(huán)境智能”設計育種策略,，確立了“順境增產(chǎn)、逆境穩(wěn)產(chǎn)”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(chǎn)生的蔗糖轉化為葡萄糖和果糖以幫助果實發(fā)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(chuàng)新設計使得作物能夠自主感應溫度變化，并根據(jù)環(huán)境條件靈活調(diào)控體內(nèi)營養(yǎng)物質的分配,，實現(xiàn)“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(yǎng),。”許操說,，“而現(xiàn)在,，我們的作物能夠通過溫度感應器自主判斷環(huán)境條件,，在順境時向果實多運輸營養(yǎng)并進行儲存,，實現(xiàn)高產(chǎn)；在逆境時則上調(diào)細胞壁轉化酶的表達，緩解果實的‘糖饑餓’狀態(tài),，保證果實的穩(wěn)產(chǎn)和品質,。”

中國科學院院士,、清華大學教授謝道昕評價稱,，許操團隊采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(chuàng)意義。

打通“關卡”,，實現(xiàn)增產(chǎn)

打通“環(huán)境智能”設計育種的技術“關卡”后,，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(chǎn)成為他們的新戰(zhàn)場,。

為了模擬真實農(nóng)業(yè)災害環(huán)境，研究團隊除了在自然條件下按照時令或延后時令進行田間試驗外,，還采用溫室大棚,、“棚中棚”等不同栽培模式模擬不同的溫度條件?！捌甙嗽路?，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后的番茄在開花,、結果時遭遇真實逆境時的產(chǎn)量?！眾錈ú龑Α吨袊茖W報》說,。

在田間工作期間，婁煥昌還掌握了“搭棚技能”,。一開始因為缺乏經(jīng)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(jīng)常被風吹倒。于是,，他向附近的農(nóng)民“取經(jīng)”,，將棚頂改造成拱形頂，終于讓它們經(jīng)得起風吹雨打,。

遺傳發(fā)育所助理研究員黎舒佳告訴記者,，她曾在許操建議下向農(nóng)民學習“打叉”,，控制番茄的側枝生長?！霸趯嶒炇抑?，我們通常在側枝長到5厘米時就剪掉。但在實際生產(chǎn)中,，打叉的時間和方法對產(chǎn)量的影響要復雜得多,。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(chǎn)生的營養(yǎng)被側枝分走,?！?/p>

“沒有地氣的農(nóng)業(yè)科技研究就像沒有鍋氣的菜肴，味兒不足,?！痹S操說。

一個個看微似不足道的經(jīng)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(shù)千公里，連續(xù)4年一茬茬地進行測產(chǎn)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(fā)現(xiàn),，順境條件下,，植入溫度感應器的番茄產(chǎn)量提高了14%~47%；高溫逆境下,，改良后的種質更是比對照增產(chǎn)26%~33%,，可挽回高溫脅迫造成的56.4%~100%的產(chǎn)量損失。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,，使改良后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?！崩枋婕颜f,。

通過關鍵技術拓展，研究團隊進一步發(fā)現(xiàn),，順境條件下,，該方法可使水稻產(chǎn)量提高7%~13%,；高溫逆境下，突變后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。

“我們選取的樞紐基因和熱響應元件在植物里都是通用的,，希望建立一套通用的育種技術,，讓主糧、蔬菜,、經(jīng)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(huán)境智能”作物育種,，以期為保障我國糧食安全提供新的育種策略,。

守正創(chuàng)新，開啟智能育種新時代

在許操看來,，當前我國番茄產(chǎn)業(yè)盡管年產(chǎn)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(fā)達國家高產(chǎn),、穩(wěn)產(chǎn)、好吃,。

“我國一粒番茄種子的價格約為0.5至1元,，而高端、好吃的番茄種子價格一粒高于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,?！痹S操說，“2020年相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,，我國每平方米番茄的平均產(chǎn)量為5.9千克,，而荷蘭平均為50.7千克。2022年,，荷蘭在引入人工智能,、數(shù)字孿生技術后，每平方米番茄產(chǎn)量甚至可達121千克,?！?/p>

“很多人說我們的番茄產(chǎn)量夠高了,，其實還遠遠不夠。我國為什么要推動‘蔬菜進棚果樹上山’,？歸根到底是要拓展種植空間,，盡量不與主糧爭土地。如果我們突破育種關鍵核心技術,，進一步大幅提高產(chǎn)量和品質,，就能節(jié)省大量土地?！痹S操補充說,。

目前，許操團隊已經(jīng)收集了2000多種番茄種質資源,，他們正圍繞從頭馴化,、環(huán)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(yǎng)保健的高產(chǎn)新品種,。同時,，研究團隊培育的若干番茄新種質，已經(jīng)在成果轉化的路上,。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.005

（原載于《中國科學報》?2024-12-18?第1版?要聞）