培育應(yīng)對(duì)21世紀(jì)氣候變化的“聰明”作物

譯者：盧紅玲，朱亞輝，劉青山

（1.湖南省農(nóng)業(yè)信息與工程研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.長(zhǎng)沙師范學(xué)校，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織估計(jì)，到2050年，全球糧食需增產(chǎn)超過70%才能滿足地球上90億人口的剛性需求。但是，實(shí)現(xiàn)這一增長(zhǎng)目標(biāo)受到了諸多限制：一方面，為解決人口增長(zhǎng)帶來的食物需求問題，糧食產(chǎn)量年增幅需達(dá)到37%以上，而這一問題在貧窮的發(fā)展中國(guó)家尤為突出。另一方面，強(qiáng)降水、熱浪、海平面升高等現(xiàn)象在世界多地發(fā)生，產(chǎn)生了洪水、干旱、鹽堿化等嚴(yán)重后果，這些極端天氣頻發(fā)嚴(yán)重制約了糧食的持續(xù)增產(chǎn)，繼而威脅到全球糧食安全。

新技術(shù)、新農(nóng)藥的應(yīng)用和高產(chǎn)作物品種的引進(jìn)曾有力地促進(jìn)了糧食增產(chǎn)，從1961開始，近50年來，盡管全球耕地面積只增加了12%，糧食產(chǎn)量卻增加了150%。但由于全球氣候變化及不合理的耕作方式，耕地質(zhì)量下降，許多地方的糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)率只有高峰期的一半。而今后，在不斷惡化的氣候條件和自然資源條件下，必須致力于提高單位投入的產(chǎn)出，才能解決糧食增產(chǎn)問題。這一理念由Chatham House提出，其核心是“少輸入多產(chǎn)出”，即培育和種植更高產(chǎn)、適應(yīng)能力更強(qiáng)、適用范圍更廣、水、肥及其他投入利用率更高的“聰明”作物品種，從而實(shí)現(xiàn)高效、“綠色”的生產(chǎn)目標(biāo)。

1 “聰明”作物的品種特征

經(jīng)過改良的“聰明”作物品種是遺傳多樣性的組合，適應(yīng)各種不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和種植習(xí)慣，尤其是能應(yīng)對(duì)氣候變化，這是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)集約化的關(guān)鍵。除了高產(chǎn)，新的“聰明”作物還要“學(xué)著”抵御各種極端天氣，以及隨之出現(xiàn)的新的病蟲害類型。同時(shí)，“聰明”作物必須能更有效地投入使用，通過改善營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，滿足消費(fèi)者對(duì)健康、多樣化飲食的需求?？傊奥斆鳌弊魑锲贩N應(yīng)具有以下特性：能用作食品、生物能源底物、畜禽飼料、還能提供纖維，這些植物纖維能幫助減輕纖維工業(yè)對(duì)耕地、水資源甚至糧食的需求壓力。

2 “聰明”作物的基因來源

人類活動(dòng)及生物的自然進(jìn)化，使得用作糧食的植物品種遺傳來源非常狹窄，這在一定程度上導(dǎo)致了當(dāng)遭遇相同脅迫時(shí)，會(huì)對(duì)這些植物造成毀滅性結(jié)果。而培育“聰明”作物，最重要的就是要充分利用糧食與農(nóng)作物的遺傳資源，即PGRFA（plant genetic resources for food and agriculture）。

釋放PGRFA的內(nèi)在潛能，可從兩個(gè)方面做工作：一是擴(kuò)大可遺傳變異資源的來源，二是誘發(fā)基因突變，產(chǎn)生新的可遺傳變異。

2.1 擴(kuò)大可遺傳變異資源的來源

為改變可遺傳變異來源狹隘的狀況，應(yīng)鼓勵(lì)在遺傳改良培育中使用作物的野生親緣種、本土品種、非適應(yīng)遺傳物質(zhì)，甚至某些低產(chǎn)的、具有非期望的特征的遺傳資源。使用這類非適應(yīng)遺傳物質(zhì)有時(shí)會(huì)起到意想不到的效果。據(jù)Gur和Zam ir報(bào)道，他們引入土豆耐旱、結(jié)綠果的野生親緣種質(zhì)基因，結(jié)果使土豆產(chǎn)量提高了50%。

Pi黃ctu志 re農(nóng): 21世紀(jì)，氣候變化將導(dǎo)致極端天氣頻發(fā)

一般，非原位或者田間原位保存的作物野生親緣種、未充分利用的作物品種和以往被忽視的種類是真正有益的“遺傳倉(cāng)庫(kù)”，它們?cè)隈Z化過程中往往沒有被用到。還有些已經(jīng)適應(yīng)了新氣候的物種，他們都有助于培育“聰明”作物。作物的野生親緣種是作物遺傳改良的重要種質(zhì)資源，對(duì)提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、提高對(duì)生物和非生物逆境的抗性具有重要作用。在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，作物改良最可靠的方法是獲得大量的種類豐富的遺傳變異資源，這也是《PGRFA公約》的工作核心，即保存、獲取和可持續(xù)利用PGRFA。只有徹底打破國(guó)家與地區(qū)之間的界限，通力合作，才能使這項(xiàng)工作順利進(jìn)行。當(dāng)然，利用這些資源還需要大量的時(shí)間和費(fèi)用。

2.2 誘發(fā)基因突變

如果不能從現(xiàn)有的種質(zhì)獲得可遺傳的變異資源，也可以選擇誘發(fā)等位變異。利用物理或者化學(xué)誘變劑，誘發(fā)大量不同的基因突變，再根據(jù)需要選育出優(yōu)良品種，已成為一種新的育種方法。誘發(fā)基因突變被確立為一種作物改良戰(zhàn)略，目前全球已通過這一方法產(chǎn)生了3200多種優(yōu)良作物品種和觀賞植物。定向誘導(dǎo)基因組局部突變技術(shù)是一種全新的反向遺傳學(xué)技術(shù)，可快速、有效地誘發(fā)、鑒定和定向篩選突變，對(duì)作物品種改良具有重要意義。此外，細(xì)胞和組織技術(shù)也常用于提高誘發(fā)突變的功效。

3 “聰明”作物的育種方法

培育“聰明”作物，需要利用盡可能多的可遺傳變異資源，增加產(chǎn)量、提高肥料利用率，以及抗生物和非生物脅迫的能力。這項(xiàng)工作不僅僅依靠育種人員，更需要多方支持、跨學(xué)科研究，充分發(fā)揮PGRFA的潛能，才能最終培育出“聰明”的作物品種。

3.1 參與式作物育種

栽培者和其他利益相關(guān)者如消費(fèi)者、推廣者、賣家、工廠、田間合作人員等都應(yīng)參與培育“聰明”作物。除此之外，還應(yīng)包括育種目標(biāo)群體，如種植戶和其他終端用戶，以形成反饋機(jī)制。種植戶可以在設(shè)計(jì)、檢測(cè)評(píng)估和傳播階段參與其中。當(dāng)前的農(nóng)業(yè)科研模式中，農(nóng)民參入育種的機(jī)會(huì)很少，但實(shí)際上，農(nóng)民在選擇、改良、改變植物品種方面的作用非常重要，直接影響著作物的育種方向。因此，作物育種中應(yīng)該包括農(nóng)戶的參與式品種選擇，才能構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。

3.2 新的育種技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 標(biāo)記輔助選擇育種 分子標(biāo)記輔助選擇是伴隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展而產(chǎn)生的新技術(shù)，它可以從分子水平上快速準(zhǔn)確地分析個(gè)體的遺傳組成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因型的直接選擇。目前，標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)的應(yīng)用主要集中在基因聚合、基因滲入、根據(jù)育種計(jì)劃構(gòu)建基因系等方面。

Pi黃ct志u re農(nóng): 培育“聰明”作物，以應(yīng)對(duì)21世紀(jì)的氣候變化

使用恰當(dāng)?shù)姆肿由飳W(xué)研究方法，定位某個(gè)基因組片段（即分子標(biāo)記），并應(yīng)用統(tǒng)計(jì)算法準(zhǔn)確識(shí)別“目標(biāo)基因”在基因組的位置，標(biāo)記輔助育種技術(shù)將在很大程度上促進(jìn)作物育種技術(shù)的發(fā)展，并將在開發(fā)應(yīng)對(duì)21世紀(jì)氣候變化的“聰明”作物中起到關(guān)鍵作用。

3.2.2 基因遺傳轉(zhuǎn)化 遺傳轉(zhuǎn)化可分為自然遺傳轉(zhuǎn)化和人工轉(zhuǎn)化，前者是細(xì)胞在一定生長(zhǎng)階段的生理特性；后者則是通過人為誘導(dǎo)的方法，使細(xì)胞具有攝取DNA的能力，或人為地將DNA導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)。玉米、大豆、油菜和棉花4種作物在應(yīng)用了該技術(shù)后，其抗除草劑和抗蟲性方面的表現(xiàn)十分突出，16年來商用種植面積共增長(zhǎng)了94倍。

基因遺傳轉(zhuǎn)化育種在技術(shù)上還存在一些需要攻克的難題，包括大多數(shù)轉(zhuǎn)基因生物的獨(dú)立基因缺乏有效的再生系統(tǒng)，以及在抗非生物脅迫（如氣候變化帶來的鹽堿化和干旱）育種方面的滯后。此外，所涉及到的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題也會(huì)給應(yīng)用帶來了限制。

3.2.3 新的生物技術(shù) 近幾年出現(xiàn)了很多新的生物育種技術(shù)，以下列出8種培育“聰明”作物的新方法。

Zn指蛋白核酸酶技術(shù)：屬于轉(zhuǎn)基因技術(shù)的一種，通過在基因序列的特定部位精確的切斷、修改或添加基因來創(chuàng)造新型細(xì)胞或整個(gè)生物體。

寡核苷酸定向誘變：誘導(dǎo)產(chǎn)生單個(gè)或少量核苷酸的目標(biāo)突變。

同源轉(zhuǎn)基因技術(shù)：將本物種或近緣野生種克隆的優(yōu)異等位基因?qū)氲揭牧嫉挠N材料中。因其和常規(guī)育種所要導(dǎo)入的目標(biāo)基因來源相同，所以培育的新品種也是安全的，且可以縮短育種周期。

RNA介導(dǎo)的DNA甲基化：改良的基因組出現(xiàn)新的表觀遺傳，僅持續(xù)幾代。

接穗 ：將非轉(zhuǎn)基因的枝或芽接穗到轉(zhuǎn)基因砧木上。

反向育種：結(jié)合DNA重組技術(shù)和細(xì)胞生物學(xué)過程，按照親本來源的等位基因進(jìn)行反向重排而產(chǎn)生新的雜合基因型。

農(nóng)桿菌浸潤(rùn)接種：農(nóng)桿菌屬的懸液和目標(biāo)基因浸潤(rùn)，接種到植物體（通常是葉片）上，以使基因性狀在局部瞬時(shí)高水平表達(dá)。主要用于研究，比如研究病菌對(duì)活體的作用，以選擇親本系號(hào)或者評(píng)估轉(zhuǎn)基因效率。

合成基因組學(xué)：根據(jù)天然的基因組序列信息設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的短DNA片段，用化學(xué)合成的方法合成這些DNA片段，然后組裝成大功能的DNA分子，用于產(chǎn)生生物燃料和醫(yī)藥品。

3.2.4 高通量的表型評(píng)估 育種過程中，從大量材料中篩選合適的個(gè)體是個(gè)艱巨的任務(wù)。為使育種過程更為高效，材料的表型評(píng)估應(yīng)與高通量的分子檢測(cè)同步。

4 小 結(jié)

總之，要培育應(yīng)對(duì)21世紀(jì)氣候變化的“聰明”作物，就必須增加作物的遺傳多樣性、確定育種對(duì)象、創(chuàng)新以結(jié)果為導(dǎo)向的育種方法，必要時(shí)，要進(jìn)行政策性及戰(zhàn)略性干預(yù)。

從全球的角度來講，則需要以積極可行的政策促進(jìn)植物育種，努力提高各國(guó)品種改良的能力；加強(qiáng)培訓(xùn)，提升21世紀(jì)育種人員的能力；爭(zhēng)取合作伙伴，發(fā)揮公共和私營(yíng)部門的協(xié)同作用；提高PGRFA在“聰明”作物育種中的貢獻(xiàn)率；此外，還需加強(qiáng)發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)業(yè)研究和技術(shù)推廣體系建設(shè)。