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从头驯化新作物满足未来个性化需求

信息来源:     发布时间:2019-05-06

人类在约12000多年前开始驯化野生植物,现存的40多万种植物中,仅约不到100种被驯化成今天被种植的各种作物。今天人类从粮食中获得能量的70%仅来自于15种作物,其中玉米、水稻和小麦三大作物占比高达50%。随着人口的不断增长和消费习惯的改变给传统的农业生产带来越来越多的压力。我们能否从众多的野生和半野生植物中,重新驯化一些新的更符合人类未来需求的新作物,为解决世界日益严峻的粮食问题提供新的解决方案,是一个值得思考的问题。

近日,作物遗传改良国家重点实验室严建兵教授与德国马普分子植物生理研究所(Max-Planck-Instituteof Molecular Plant Physiology)的AlisdairR. Fernie教授在Molecular Plant 上发表了题“Denovo domestication: An alternative route toward new crops for the future”的观点文章,就能否从头驯化新作物以满足未来个性化需求这一问题做了阐述。

该文章首先回顾了作物驯化的历史,随后介绍了当前农业领域面临的挑战并提出了“再驯化”(Re-domestication)和“从头驯化”(Denovodomestication)的理念,最后展望了如何通过我们已经掌握的关于作物驯化和改良的知识来从头驯化新的作物,以解决农业生产与人类粮食需求之间的矛盾。

在对作物驯化历史总结中,作者总结了过去人类驯化和改良作物的4个阶段,认为生物技术和基因组驱动的育种技术进步正为我们叩开设计育种的大门,将大数据与基因组编辑和精准育种相结合,有望引发农业领域的“第三次绿色革命”。作者认为除了人口增长引起的农业发展的紧迫性之外,未来农业生产面临的主要挑战还有农业发展的可持续性、作物对环境变化或极端环境的耐受性和人们对作物可食用部分营养品质的需求不断提高。

针对这些问题,该文章提出了“再驯化”处于半驯化状态的作物及“从头驯化”产生新作物的解决方案。“再驯化”的优势在于可以直接利用已经适应种植环境的处于半驯化的物种。“从头驯化”可通过传统的人为选择和基因组编辑等技术来实现。通过人工选择进行“从头驯化”需要至少20个以上世代才能综合地改良野生物种,对于遗传基础不太复杂的特定性状而言,这一过程可以非常快速,但通过人工选择进行“从头驯化”不利的一点在于有害的变异会通过“搭载效应”保留下来。近年来迅猛发展的基因编辑技术则可以有效解决“搭载效应”的问题,实现快速、精准的“从头驯化”。目前已经有3例通过基因编辑技术来快速改良野生物种成为可以栽培的作物的实例报道。

上世纪在农业领域取得的成就——尤其是第一次绿色革命,对于养活世界人口意义重大,但是目前我国农业“高投入-高产出”模式也面临越来越大的挑战。作物驯化过程中,仅有限数目的基因受到了选择(以玉米为例,约有1200个编码蛋白的基因受到选择),由此可见知识驱动的“再驯化”和“从头驯化”具有很大的潜力。

该文章为此提出了实现“从头驯化”新作物的关键步骤:候选物种的确定;驯化关键基因的鉴定,利用基因编辑等技术快速实现野生植物到驯化作物的转变;目标有益性状调控网络的确定,利用基因编辑等技术实现目标性状基因网络的精准调控;提供拥有不同有益性状的个性化作物满足不同人群多样化的需求。

“再驯化”和“从头驯化”从新的视角提供了实现农业可持续化发展的一个解决方案。此文的前瞻性观点对于未来的作物遗传改良具有重要启示意义。

 


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