中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操團(tuán)隊(duì)發(fā)布了“環(huán)境智能型高產(chǎn)-穩(wěn)產(chǎn)作物育種新策略CROCS(Climate-responsive optimization of carbon partitioning to sinks)”，該項(xiàng)研究進(jìn)展于北京時(shí)間2024年12月14日在國際頂尖雜志Cell發(fā)表，題為“Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”。這是我國在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種核心技術(shù)上取得的重大突破。

該項(xiàng)研究基于植物生理學(xué)經(jīng)典理論-源庫理論，即植物體內(nèi)光合產(chǎn)物（如碳同化物蔗糖）從“源”器官（如葉片）向“庫”器官（如根、莖、果實(shí)、種子等）的運(yùn)輸與分配過程。該理論在作物生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了重要指導(dǎo)作用，“增源、擴(kuò)庫、暢流”一直是作物栽培和作物育種中實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的根本。

許操研究員帶領(lǐng)的智能設(shè)計(jì)育種科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)聚焦番茄細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶(Cell wall invertase, CWIN)這類源庫關(guān)系調(diào)控的關(guān)鍵樞紐基因，突破高效基因敲入技術(shù)難題，為CWIN基因植入熱響應(yīng)元件分子開關(guān)，使作物獲得了感應(yīng)溫度變化自動(dòng)“擴(kuò)庫暢流”的能力。

在溫室、大棚、露地等不同栽培模式條件下的多年多點(diǎn)單產(chǎn)測試發(fā)現(xiàn)，順境條件下，該方法可使番茄產(chǎn)量提高14-47%；高溫逆境下，該方法培育的番茄種質(zhì)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，而且改良后的番茄果實(shí)均一度、糖度等品質(zhì)性狀在相應(yīng)條件下顯著提高。

通過關(guān)鍵技術(shù)拓展，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在單子葉植物水稻中測試CROCS育種策略在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種中的應(yīng)用潛力。經(jīng)過多年多點(diǎn)水稻單產(chǎn)測試表明，順境條件下，該方法可使水稻產(chǎn)量提高7-13%，高溫逆境下，HSE精準(zhǔn)敲入的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。

許操團(tuán)隊(duì)發(fā)布的CROCS環(huán)境智能育種全新策略建立了包括順式調(diào)控元件篩選、靶向位點(diǎn)選擇、瞬時(shí)表達(dá)驗(yàn)證、基因編輯器改造、種質(zhì)測產(chǎn)與性狀評價(jià)等一系列方法在內(nèi)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)快速育種技術(shù)體系，首次在主要糧食和蔬菜作物中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“順境增產(chǎn)，逆境穩(wěn)產(chǎn)”環(huán)境智能型作物種質(zhì)的快速創(chuàng)制，是不同作物通用的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)快速育種技術(shù)體系，開啟了環(huán)境智能型(Climate-smart)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種的新時(shí)代。該研究開辟了環(huán)境智能精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種新路徑，為突破作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種瓶頸，搶占農(nóng)業(yè)生物育種科技制高點(diǎn)，保障我國糧食安全提供全新育種策略。

過去幾十年的生命科學(xué)基礎(chǔ)研究已經(jīng)鑒定出許多響應(yīng)生物與非生物脅迫、養(yǎng)分吸收與利用以及共生微生物的順式調(diào)控元件。這些順式調(diào)控元件能夠響應(yīng)多種脅迫，如高溫、低溫、干旱、鹽堿、光照、病原體侵害以及養(yǎng)分缺乏等。該系統(tǒng)為精準(zhǔn)敲入環(huán)境感應(yīng)分子開關(guān)，培育順境高產(chǎn)逆境穩(wěn)產(chǎn)的氣候韌性作物鋪平了道路，同時(shí)也為植物發(fā)育環(huán)境適應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)研究提供了高效的基因編輯工具和可行的技術(shù)體系。

高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)番茄和水稻新種質(zhì)

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究員為該文章的通訊作者，博士研究生婁煥昌，助理研究員黎舒佳為文章的共同第一作者，研究得到了李家洋院士、黃學(xué)輝教授、何祖華院士的指導(dǎo)和大力支持。