韓勇，鄒美林，程婧曄，童岑，李承道

1.西澳大利亞州第一產(chǎn)業(yè)與地區(qū)發(fā)展部，珀斯 6151，澳大利亞

2.莫道克大學(xué)西部作物遺傳聯(lián)盟，珀斯 6150，澳大利亞

21世紀全球人口增長以及人類對食品多元化和營養(yǎng)均衡的需求，對新世紀作物生產(chǎn)，特別是在增產(chǎn)提質(zhì)方面提出了新的要求。另一方面，由氣候變化所誘發(fā)的氣象自然災(zāi)害頻發(fā)并不斷加?。?］，以及世界各國碳達峰、碳中和“雙碳”目標的提出，是當(dāng)前和今后作物生產(chǎn)需要面對的重要命題和重大挑戰(zhàn)。如何解決需求增長與環(huán)境、生產(chǎn)條件限制之間的矛盾，需要多學(xué)科、產(chǎn)業(yè)鏈上下游的通力合作和協(xié)同創(chuàng)新，包括但不限于持續(xù)的作物遺傳改良、生物技術(shù)開發(fā)利用、農(nóng)藝與栽培管理提升和信息技術(shù)(人工智能)輔助決策等。

就生物技術(shù)而言，從人工誘變育種、分子標記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因技術(shù)，到近來涌現(xiàn)的基因編輯平臺［2］，技術(shù)的迭代和創(chuàng)新大大加速了作物產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性的關(guān)鍵基因發(fā)掘、功能鑒定與育種應(yīng)用，同時使得作物高效、精準改良與設(shè)計育種成為可能［3］。需要指出的是，生物技術(shù)的整合應(yīng)用在主糧作物，包括小麥和水稻中仍有局限，一方面來自技術(shù)手段本身的限制，而另一方面來自于社會和民眾對技術(shù)安全性的擔(dān)憂［4］?？傮w上說，常規(guī)育種聚合優(yōu)勢基因仍然耗時費力，而利用植物病毒瞬時表達功能基因以實現(xiàn)快速、實時調(diào)節(jié)作物性狀、增強環(huán)境適應(yīng)性，顯得相對安全并具有規(guī)?；瘧?yīng)用潛力［5］。植物瞬時表達系統(tǒng)具有快速且高效表達蛋白的能力，甚至已成為生產(chǎn)新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)蛋白類疫苗最受期待的表達系統(tǒng)之一［6］。整合、利用不同技術(shù)，實現(xiàn)瞬時調(diào)控與穩(wěn)定育種改良相結(jié)合，是短期與中長期保障作物生產(chǎn)的一大方向。

本研究探討了作物生產(chǎn)在當(dāng)下和未來所面臨的需求和挑戰(zhàn)，與之對應(yīng)羅列了作物提質(zhì)增效、抵御主要逆境脅迫的重要基因資源，概述了不同生物技術(shù)手段在短期與中長期保障作物生產(chǎn)的應(yīng)用潛力，以期在新形勢下提振作物生產(chǎn)和應(yīng)對氣候變化。

1 作物生產(chǎn)面臨的需求與挑戰(zhàn)

1.1 人口增長與初級農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)需求

根據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟和社會事務(wù)部人口司的統(tǒng)計，全球人口總量預(yù)計將于2050年達到91億，比當(dāng)前總?cè)丝诙?4%。隨著城市化進程的加快和人民生活水平的普遍提高，與之配套的全球糧食產(chǎn)量(不含用于生物燃料的糧食)增幅需達70%。其中，谷物年產(chǎn)量需要從目前的21億t增加43%至30億t，肉類年產(chǎn)量需要從現(xiàn)在的2.7億t增長74%至4.7億t［7］。

隨著人口的持續(xù)增長，糧食安全一直是世界共同關(guān)注的焦點也是當(dāng)前全球性問題之一。糧食的數(shù)量安全是糧食安全的首要內(nèi)容。近年來，受新冠疫情和氣候變化、自然災(zāi)害等因素沖擊，全球糧食短缺問題愈加嚴峻。全球饑荒人口比例由2020年的8.4%增長到2021年的9.9%，即從6.5億增長到7.68億左右。其中亞洲(4.18億)和非洲(2.82億)的糧食短缺問題最為突出［8］。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的預(yù)測，到2050年，饑荒人口仍占全球人口總數(shù)的8%［9］。糧食短缺問題將是21世紀上半葉全球面臨的一項重要挑戰(zhàn)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量仍將是育種家追求的目標。小麥、水稻等作物高產(chǎn)品種的培育和轉(zhuǎn)基因等生物技術(shù)的運用顯著提高了作物產(chǎn)量［10-12］。

另外，糧食的質(zhì)量和營養(yǎng)安全是糧食安全的更深層次內(nèi)容。隨著生活品質(zhì)的提升，在滿足了溫飽的基本需求后，人們更加關(guān)注食品多樣性和營養(yǎng)均衡。除了必要的小麥、水稻等主糧外，大眾對高品質(zhì)的次級產(chǎn)物肉禽蛋奶的需求也不斷增加。需要指出的是，不斷增加的次級農(nóng)產(chǎn)品進一步增加了初級農(nóng)產(chǎn)品的需求。以雞蛋為例，在2012年到2020年之間，全球雞蛋的消耗量每年以2.9%的速度增加。中國是全球雞蛋消耗量最大的國家，2020年雞蛋的生產(chǎn)量為5 900萬t，消耗量為5 860萬t［13］。每只蛋雞每天至少消耗120 g飼料［14］，其中以玉米為主，小麥、高梁和大麥等谷物為輔［15］。再比如牛奶，美國人均奶制品消耗量2019年(293 kg/人)同比2009年(276 kg/人)增加了6.2%［16-19］。同時，對比2050年和2015年，發(fā)展中國家(78 kg/人與55 kg/人)和發(fā)達國家(216 kg/人與203 kg/人)在牛奶人均需求上還會繼續(xù)增大［20］。而牛奶和牛肉的產(chǎn)量，都建立在高能量和高度可消化的牧草以及低纖維含量谷物的濃縮飼料之上［21］。因此，主糧、雜糧和飼料作物生產(chǎn)都需要保證充分增長才能滿足人類對飲食營養(yǎng)和健康的需求。

1.2 氣候變化威脅作物生產(chǎn)

農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害主要是指由降水異常導(dǎo)致的干旱、澇漬和溫度異常形成的低溫冷害、高溫?zé)岷σ约熬C合性氣象因素造成的酸雨、風(fēng)害等氣象災(zāi)害。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的第六次評估報告顯示，目前全球平均表面溫度(2011～2020年)比工業(yè)化前(1850～1900年)已升高1.1 ℃，且還將持續(xù)上升［1,22］。全球平均氣溫的升高加劇了水文循環(huán)且影響了降水特征，暴雨、干旱和高溫等極端氣象災(zāi)害的發(fā)生頻率和嚴重程度在全球多地呈遞增態(tài)勢［1,23］。以高溫為例，觀測資料顯示，目前每10 a發(fā)生1次的嚴重高溫事件，而在工業(yè)化前50 a間僅發(fā)生過1次。倘若全球溫度再上升1.5 ℃，則大約每5 a會出現(xiàn)1次極端高溫天氣［1］。隨著全球平均氣溫每升高1 ℃，由氣候變化所帶來的影響將會使全球玉米產(chǎn)量平均下降約7.1%～7.4%，小麥產(chǎn)量平均下降約3.7%～6.0%，水稻和大豆分別減產(chǎn)約2.3%～3.2%和3.1%～4.0%［24-25］。雖然玉米作為熱帶作物可以在短時間耐受低于40 ℃的高溫，但無法在長期高于35 ℃的環(huán)境中正常生長［26］。相關(guān)研究證實，在持續(xù)高于30 ℃的溫度條件下，玉米和大豆的產(chǎn)量會下降約6%［27］。高溫脅迫還會帶來嚴重的生理干旱問題，并與干旱脅迫相結(jié)合加劇玉米的減產(chǎn)［26］。近年來作物高溫脅迫問題已受到了廣泛關(guān)注，而由氣候變化所帶來的凍害風(fēng)險亦不容忽視。在一系列關(guān)于氣候變化對小麥生長發(fā)育影響的試驗中，目前研究一致認為冬小麥不但容易受到高溫影響而且極易受到低溫損害［28-31］。在全球變暖的背景下，暖冬和早春現(xiàn)象可能會導(dǎo)致植物過早發(fā)育，隨后的霜凍則會造成嚴重損害［22,32］。不斷變化的氣候條件給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了諸多不穩(wěn)定因素，且會對作物產(chǎn)量造成嚴重影響。因此從作物本身出發(fā)，挖掘抗(耐)性種質(zhì)和遺傳資源，并整合、利用現(xiàn)代生物技術(shù)降低氣候變化所帶來的損失有著重要現(xiàn)實意義。

1.3 “雙碳”目標對作物生產(chǎn)的限制

2 作物增產(chǎn)提質(zhì)、抵御逆境脅迫的基因資源

遺傳定位與關(guān)聯(lián)分析、功能基因組學(xué)、多組學(xué)聯(lián)合分析以及高通量測序技術(shù)的發(fā)展，使得作物重要基因發(fā)掘和功能解析快速邁進。尤其在以擬南芥［42］和水稻［43］為主的模式植物中，現(xiàn)有研究在植物營養(yǎng)元素(氮、磷、鉀)轉(zhuǎn)運和代謝的分子調(diào)控、對環(huán)境因素(水分、溫度、無機鹽)的感知和響應(yīng)機制、物候(開花)和產(chǎn)量形成的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)方面，取得了系統(tǒng)性的豐富成果。針對作物生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目標，以及應(yīng)對氣候變化和“雙碳”計劃，表1列舉了植物中近二十年來鑒定發(fā)現(xiàn)的重要基因及其功能，涉及產(chǎn)量和物候(開花)、耐逆性(干旱、澇漬、高溫、低溫、鹽害)以及養(yǎng)分(氮、磷、鉀)高效利用和重金屬吸收轉(zhuǎn)運等關(guān)鍵性狀。利用這些基因(家族)為代表的遺傳資源，結(jié)合現(xiàn)代生物技術(shù)和育種手段去操縱、聚合相關(guān)基因，有助于在新形勢下提振作物生產(chǎn)。

3 保障作物生產(chǎn)的生物技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

作物轉(zhuǎn)基因、基因編輯技術(shù)和蛋白瞬時表達系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，將是作物生產(chǎn)和品種改良的有力武器。以轉(zhuǎn)基因和基因編輯為代表的分子育種手段，目的性強，可以通過改變一個或數(shù)個基因來獲得目的性狀，能兼顧高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、營養(yǎng)高效等多種性狀的改良，彌補了傳統(tǒng)雜交育種周期長、效率低、預(yù)見性差等局限性［121］。近二十年來功能基因組學(xué)的發(fā)展，推動了作物重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的鑒定(見表1)，為分子育種奠定了理論前提和基礎(chǔ)。近年來，利用植物病毒瞬時表達功能基因，使作物在生育期快速獲得目的性狀或環(huán)境適應(yīng)性［5］，在生產(chǎn)應(yīng)用上表現(xiàn)出巨大潛力。將作物性狀瞬時調(diào)控與育種改良相結(jié)合，能夠在短期及中長期保障作物生產(chǎn)并應(yīng)對氣候變化。

3.1 轉(zhuǎn)基因育種

自1992年美國農(nóng)業(yè)部批準首個轉(zhuǎn)基因作物(Calgene公司Flavr Savr番茄)上市以來，截至2019年，轉(zhuǎn)基因作物在全球29個國家種植面積已達到1.9億hm2［122］，主栽作物按面積大小依次為大豆(48.2%)、玉米(32.0%)、棉花(13.5%)和油菜(5.3%)。盡管這4種作物主要提供油料、能源和纖維來源而非作為人類主食，轉(zhuǎn)基因技術(shù)也已經(jīng)在主糧作物水稻［123］和多種水果中［124］推廣應(yīng)用。目前，轉(zhuǎn)基因技術(shù)以農(nóng)桿菌(Agrobacterium)介導(dǎo)的載體遞送系統(tǒng)為主，以基因槍、聚乙二醇(PEG)等介導(dǎo)的載體直接導(dǎo)入技術(shù)為輔，同時花粉管通道轉(zhuǎn)化、生殖細胞浸泡吸收等方法也有報道［123］。轉(zhuǎn)基因作物改良的性狀圍繞抗蟲(Bt)、抗除草劑(草甘膦)、抗?。?21］等，同時在抵御非生物逆境如鹽害、低溫［125］，調(diào)節(jié)開花、休眠、果實成熟［124］，改善營養(yǎng)品質(zhì)［126］等性狀上也有成功應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在1996～2018年間，轉(zhuǎn)基因作物累計增加產(chǎn)量達8.2億t，價值2 249億美元；保持生物多樣性和水土達2.3億hm2；減少殺蟲劑使用約77.6萬t；在2018當(dāng)年減少碳排放2 300萬t；為1 700萬農(nóng)民家庭增加了經(jīng)濟收入［122］。事實證明，將轉(zhuǎn)基因技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)結(jié)合，能培育優(yōu)質(zhì)多抗、高產(chǎn)高效作物新品種，大大提高品種改良效率，并可降低農(nóng)藥、肥料投入，在緩解資源緊張、保障食品安全、保護生態(tài)環(huán)境、拓展農(nóng)業(yè)功能等方面潛力巨大［127］。

需要指出的是，盡管轉(zhuǎn)基因作物已被大面積栽種和大量消費，當(dāng)前學(xué)術(shù)界和公眾對轉(zhuǎn)基因食品安全性和環(huán)境風(fēng)險性仍存在爭論。轉(zhuǎn)基因作物在種植、進出口貿(mào)易、食品制造過程中所適用的法規(guī)在各個國家之間也不盡相同［128］。例如食品標注，除美國未統(tǒng)一要求外，有64個國家要求轉(zhuǎn)基因食品強制標注［129］。第一代轉(zhuǎn)基因作物表達的抗蟲、抗除草劑基因主要來自于細菌，相對于這些“外源”抗性基因，利用雜交親和或同種作物來源的基因作為目的基因，即同源轉(zhuǎn)基因和內(nèi)源轉(zhuǎn)基因，能降低對轉(zhuǎn)基因作物安全性的擔(dān)憂［130］。

3.2 基因編輯技術(shù)

利用基因編輯在基因組中創(chuàng)造定向突變，用以研究基因和基因通路功能并進行精確遺傳改良，是當(dāng)前作物科學(xué)研究的熱點。尤其以CRISPR/Cas9為代表的編輯系統(tǒng)，因其準確、高效、突變位點寬泛和脫靶效應(yīng)可控，迅速在多種作物包括水稻［131-132］、小麥［133-134］、玉米［135-136］、大麥［137-138］、大豆［139］、番茄［140］和馬鈴薯［141］等中得到開發(fā)應(yīng)用。利用該系統(tǒng)已成功創(chuàng)制了一批突變體并精準改良了性狀，如白粉病抗性(mlo)、籽粒粒重(gw2)、氮利用效率(are1)等。但是，CRISPR/Cas9通常誘導(dǎo)基因敲除，限制了它在基因操縱中的應(yīng)用潛力。2019年，DAVID LIU課題組開發(fā)了一種新的精準基因編輯工具，即引導(dǎo)編輯(prime editing)，該方法不依賴DNA模板便可實現(xiàn)任意堿基替換和小片段精準刪除、插入，這一突破擴展了基因編輯的范疇和自由度［142］。隨后，引導(dǎo)編輯技術(shù)成功在水稻和小麥中應(yīng)用和優(yōu)化［143］，提高編輯效率達3倍［144］。利用引導(dǎo)編輯定向修飾乙酰乳酸合成酶基因(acetolactate synthase，ALS)，現(xiàn)已創(chuàng)制出抗咪唑啉酮類除草劑的水稻［145］和玉米［146］新種質(zhì)。

基因編輯不僅能定向修飾單一基因/性狀以快速改良現(xiàn)有品種，也能實現(xiàn)多重編輯從頭馴化(denovodomestication)野生物種，即保留野生物種的抗逆性、遺傳多樣性的同時，定向改變其物候、產(chǎn)量和品質(zhì)等性狀，從而加速馴化并快速獲得多種優(yōu)良性狀［147］。當(dāng)前，研究人員已成功實現(xiàn)野生番茄(solanumpimpinellifolium)的快速馴化，在保留其耐鹽堿和抗病性的同時，通過編輯控制番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的開花光周期敏感性、株型和果實同步成熟控制基因、果實大小控制基因和維生素C合成酶等基因［148-150］，有望創(chuàng)造新型的“超級”番茄。另外，四倍體野生稻(Oryzaalta)的馴化也具有很大潛力，因其生物量大，能夠抵抗生物和非生物脅迫，通過編輯其控制株型、開花、產(chǎn)量等性狀的基因，成功獲得了落粒性降低、芒長株高縮短、抽穗時間提前的系列材料［151］。

與轉(zhuǎn)基因作物類似，當(dāng)前各國對基因編輯作物的生物安全法規(guī)尚未統(tǒng)一。除不含有外源基因、使用SDN-1(site-directed nuclease)類型編輯的作物得到相對普遍(包括美國、日本、澳大利亞等國)的認證外，利用外源模板引導(dǎo)DNA斷裂修復(fù)的編輯技術(shù)(SDN-2和SDN-3)在多數(shù)國家仍受轉(zhuǎn)基因法規(guī)監(jiān)管［152］。2022年1月，中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技教育司印發(fā)了《農(nóng)業(yè)用基因編輯植物安全評價指南》試行版，規(guī)定了無外源基因的基因編輯植物如不增加環(huán)境安全風(fēng)險和食用安全風(fēng)險，中間試驗后可直接申請生產(chǎn)應(yīng)用安全證書。這對未來生物育種產(chǎn)業(yè)必然起到巨大的推動促進作用。

3.3 植物病毒改造

植物病毒經(jīng)改造后可在植物組織內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)移，通過瞬時表達重組蛋白或沉默植物內(nèi)源基因以研究基因功能、改變植物性狀。例如，大麥條紋花葉病毒(BSMV)是單鏈RNA病毒，已被廣泛用于瞬時基因沉默(VIGS)試驗研究大麥、小麥基因功能，研究人員明確了候選基因在根毛形成［153］、耐鹽［96］、抗?。?54］中的作用。BSMV系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計也可以實現(xiàn)蛋白異源表達［154］，但通常只能驅(qū)動表達小于150個氨基酸的小蛋白，另外在敏感基因型中可能導(dǎo)致受體植株出現(xiàn)明顯的萎黃、花葉現(xiàn)象而影響表型鑒定和基因功能分析［155］。在雙子葉植物中，馬鈴薯病毒X(PVX)是正向單鏈RNA病毒，可侵染擬南芥、煙草、番茄、馬鈴薯等不同物種，曾被開發(fā)用于表達FT蛋白來調(diào)節(jié)煙草花期［156］和研究代謝途徑、蛋白細胞定位等［155］。近來，PVX表達系統(tǒng)實現(xiàn)了瞬時調(diào)節(jié)上述雙子葉作物的多種農(nóng)藝性狀，包括花期、春化條件、株高和耐旱性，并通過優(yōu)化噴灑等轉(zhuǎn)染方式可以被規(guī)?；瘧?yīng)用，從而實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)作物性狀以獲得抗逆性和環(huán)境適應(yīng)性［5］。狐尾草花葉病毒(FoMV)與PVX性質(zhì)類似，但可以侵染更廣泛的宿主，包括56個禾本科物種和35個雙子葉物種［157］，經(jīng)改造，F(xiàn)oMV在玉米中可高效表達近600個氨基酸的蛋白，同時在小麥、玉米等多種谷物中誘導(dǎo)的背景表型比BSMV輕微［155］。除基因沉默和蛋白異源表達外，植物病毒目前也被成功應(yīng)用于遞送CRISPR/Cas9基因編輯元件，該系統(tǒng)相比組織培養(yǎng)方法更便捷省時，更重要的是避免了外源DNA與宿主基因組整合，從而在規(guī)避轉(zhuǎn)基因監(jiān)管上獲得優(yōu)勢［158］。

常規(guī)育種聚合優(yōu)勢基因?qū)崿F(xiàn)遺傳改良耗時長、預(yù)見性差，利用植物病毒沉默或表達功能基因誘導(dǎo)并快速改變作物性狀，在生產(chǎn)上能短期內(nèi)保障作物生產(chǎn)、應(yīng)對氣候變化。但是，植物病毒在不同宿主(物種、基因型)內(nèi)侵染效率不一，而且噴灑等方式對單子葉植物轉(zhuǎn)染性有限。另外，VIGS因為不涉及蛋白表達和DNA轉(zhuǎn)移，通常不受轉(zhuǎn)基因法規(guī)監(jiān)管，而利用病毒載體表達蛋白仍無明確的條文規(guī)范，這使得該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有不確定性。

4 結(jié)束語

人口增長、氣候變化以及低碳減排的趨勢對作物生產(chǎn)提質(zhì)增效提出了新的挑戰(zhàn)和要求。相對地，生物技術(shù)的發(fā)展為植物基因組功能解析、作物精準育種和農(nóng)藝性狀瞬時調(diào)控提供了重要技術(shù)支撐。多種技術(shù)相結(jié)合，能夠在短期與中長期保障作物生產(chǎn)并應(yīng)對氣候變化。但是，以目的性狀--功能基因--技術(shù)操縱的配套去調(diào)控作物生產(chǎn)，很大程度上依賴作物本身功能基因的解碼，轉(zhuǎn)化、編輯、瞬時表達技術(shù)體系的建立和效率的高低。因此，解決這些難題是推動技術(shù)應(yīng)用和育種改良的關(guān)鍵。此外，各國對于轉(zhuǎn)基因、基因編輯、植物病毒等各種生物技術(shù)的應(yīng)用、約束和監(jiān)管需要協(xié)商并形成共識，在基于生物安全評價的基礎(chǔ)上，明確新作物、新品種在生產(chǎn)、貿(mào)易和食品加工各環(huán)節(jié)適用的法規(guī)，以推動新技術(shù)和新品種的規(guī)模化、商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。