NSR| 李家洋院士提出“智能作物”新概念

植物育种技术 农业种植技术
eplants    2021-01-22    435

  2021年1月19日,National Science Review 在线发表了中科院遗传发育所李家洋院士团队的题为Short and Long Term Challenges in Crop Breeding 的观点文章。提出了“智能作物”的新概念,智能作物代表了新的作物品种,甚至是不存在的物种,超越了现有作物的改良品种;并提出了实现该目标的可行性步骤,呼吁全球科学界、农业公司、媒体、政府和地球上所有人的持续努力和合作。

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  农业是人类赖以生存的主要能源和养分,是决定世界人口及其基本健康状况的关键因素。在农业历史上,人们通过培育新的优良品种来实现有益性状的人工选择,而不是保持自然生长条件的的性状。作物育种的每一次成功,例如野生植物驯化、作物引种和“绿色革命”,都会带来人口的快速增长。在二战后的最近70年里,世界人口从25亿增长到70亿。在科学技术快速发展的推动下,作物品种的产生速度正在加快。以中国为例,其主要粮食作物水稻的年产量已从1950年的约5700万吨增加到目前的2亿吨以上。更重要的是,在过去的20年里,由于发现了潜在的复杂遗传机制,大米的米质也得到了广泛的改善。到本世纪末,世界人口预计将达到100亿到120亿,农业生产率至少需要提高50%。这给作物育种带来了严峻的挑战。

  农作物利用太阳光、二氧化碳和水作为能源和主要成分来生产最终产品。以更少的投入生产更多粮食的需求永无止境。一种正在进行的策略是优化植物结构,如20世纪60年代绿色革命中的矮化育种和新绿色革命中的理想植物结构育种,但各种植物结构还需要更多的努力。还提出了其他一些有希望的策略,如提高光合作用效率和控制植物中的能量流动和分配。随着粮食产量的增加,淡水、农药和化肥的高投入已成为农业可持续发展的主要威胁,这就要求开发高效利用农业资源的新品种。

  光能是粮食生产的最终限制,但随着新电力系统成本的显著降低,加上室内垂直耕作技术的发展,可能会在未来打破这一限制。因此,适合室内系统的新型作物是可行的。另一项任务是提高农作物食品的口感和营养价值,这两者都提高了生活质量。随着对不同代谢物在植物中的生物合成途径和对人类健康影响的认识不断增加,营养价值的概念已经得到了广泛的扩展。例如,抗性淀粉(RS)有助于预防2型糖尿病和肥胖症,最近对其生物合成途径的研究进展使创造具有高抗性淀粉品种的新型日常食品成为可能。

  从长远来看,气候变化可能是农业领域的达摩克利斯之剑。二氧化碳浓度升高、温室效应和气温升高不仅直接影响农作物的生长发育,限制作物产量,而且带来极端天气条件更加频繁,如极端高温、台风、森林火灾、冰盖流失、海平面上升等严重影响农业。此外,尽管气候变化看起来每年都很小,但当达到一个不可预测的门槛时,模式可能会发生巨大变化,主要作物可能无法适应。为了应对这种情况,除了高产和优质外,我们还需要培育出对极端天气条件具有高度抵抗力、能够快速适应气候变化的所谓“智能作物”。这需要广泛探索有用的遗传资源,更深入地了解植物对生物和非生物环境变化的反应机制。智能作物代表了新的作物品种,甚至是不存在的物种,超越了现有作物的改良品种。

  为了应对这些挑战,中国科学院(CAS)为作物育种设定了三个目标:(1)建立解码精确遗传信息的能力;(2)开发利用和改写遗传信息的工具;(3)实现各种作物的智能设计和育种。

  创新种子设计研究院启动并实施了战略重点研究项目《精准种子设计与育种》。该计划包括阐述精确种子设计的分子基础和创新技术的开发,通过分子设计创造新的优秀品种,以及建立他们的平台;所有这些都旨在应对短期的农业挑战和为长期的挑战做准备。这些挑战是巨大的,需要全球科学界、农业公司、媒体、政府和地球上所有人的持续努力和合作。

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