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作物快速育种

日期:2019-06-21 作者:上海迈其生物科技有限公司 来源:http://www.microgene.com.cn/

为跟上全球变暖和人口增长的步伐,植物育种家们正加速跟踪粮食作物的遗传改良情况。

农民和植物育种者正在与时间赛跑。世界人口增长迅速,需要更多的粮食,但可耕地数量有限。温暖的气温延长了一些地区的生长季节,也给其他地区带来了干旱和害虫。

澳大利亚昆士兰大学的植物遗传学家Lee Hickey说: “我们在养活这个世界的问题上面临着巨大的挑战。统计数据显示,到2050年这个星球上的人口将达到大约100亿,我们将需要比现在更多60%到80%的粮食来养活所有人。再加上气候变化和疾病蛰伏影响作物生长,使得这个任务更加艰巨。” 

然而,植物育种是一个缓慢的过程。使用传统的育种技术开发新的作物——抗旱、抗病、产量更高、营养更丰富——可能需要10年或更长时间。因此,植物育种家们正在努力加快步伐。

Hickey博士的团队一直致力于“加速繁殖”,严格控制光照和温度,使植物超负荷生长。因此研究人员能够更快地收获种子,用于种植下一代作物。

这项技术受益于NASA关于如何在空间站上种植作物的研究启发,通过每天用蓝色和红色的LED灯照射22小时并将温度保持在62至72华氏度(约为16.7至22.2摄氏度)之间,“哄骗”作物早日开花。2018年11月,在发表于Nature杂志上的一篇论文中,Hickey博士团队表示,他们种植的小麦、大麦、鹰嘴豆和油菜在一年内最多可以繁育6代,而传统方法只能生产1到2代。

周一,在Nature Biotechnology 杂志上,该团队强调了高速作物育种以及其他可能有助于改善粮食安全的技术的潜力。研究人员表示,将快速育种与其他最先进的技术(如基因编辑)相结合,将是创造新作物产品线的最佳途径。

Hickey博士说:“我们在这里真正谈论的是创立大规模的作物工厂。”

加州大学戴维斯分校植物育种中心主任Charlie Brummer没有参与这项工作,但他认为,植物研究的新时代已经到来。他说,育种家和育种公司一直试图尽量减少开发新品种作物所需的时间,不过现在,通过高速育种等新技术,“我们可以做得比过去更好。”

在150年前,植物学家就开始在人造光(碳弧灯)下种植植物。随后,LED技术的进步极大地提高了科学家们为每一种作物调整和定制光照设置的精准度。

研究人员还采用了新的遗传技术来优化开花时间,使植物更能抵抗全球气候不断变暖的严酷考验。与较早的杂交育种和作物遗传改良技术不同,像Crispr这样的新工具可以让科学家剔除植物自身DNA中某些可能使它容易受到疾病侵害的部分。Hickey博士和他的团队正致力于将Crispr机制直接应用到大麦和高粱苗中,以便修改植物的基因,同时加快繁殖速度。

说起来容易做起来难,尤其是对某些特殊的作物而言。马铃薯和其他一些作物(比如苜蓿)是四倍体,每个染色体携带四个拷贝。(人类和大多数动物是二倍体,有两套染色体,来自父本和母本的遗传物质各1套)。育种家如果按照设想删除掉了一个会降低作物产量的基因,但植物中其他染色体上可能还有这个基因的3个拷贝。

这种独特的遗传模式意味着马铃薯通常是不育的,必须通过块茎来繁殖。德国杜塞尔多夫海因里希海涅大学的植物遗传学家Benjamin Stich表示,高速育种和遗传编辑只能在一定程度上加速这类作物的繁殖。

Stich博士和他的团队正在开发一种称为基因组预测的技术,以快速跟踪和鉴定具有理想性状的植物块茎。首先,研究人员运用他们所了解的知识,明确各种基因如何影响生长和产量。然后,他们将这些数据输入到计算机模型中,并提取出信息,预测哪些植物将具有基因和田间产量的最佳组合。

“我们现在可以同时预测许多特征,具有高度可靠性,”Stich博士说。他的团队使用该技术成功预测了马拉松对马铃薯枯萎病的易感性,以及它们的淀粉含量、产量和成熟时间。

随着更便宜、更强大技术的出现,快速改良全球作物的机会之门正在打开。Hickey博士的团队计划通过与国际半干旱热带作物研究所合作以及来自比尔和梅林达盖茨基金会的资助,在未来几年对印度、津巴布韦和马里的植物育种家进行培训。

“重要的是,需要确保这对发展中国家的农民也有好处,”Hickey博士说。大多数高速育种系统的建立都只需要最基本的技能,并且,在可能缺乏电力和其他资源的国家,可以使用太阳能电池板来为低功耗的LED供电。高速育种也可以与基因编辑和基因组预测技术相结合。

“仅凭一项技术无法解决我们的问题,”希基博士说。“我们将需要整合目前可用的所有工具。” 

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