培育應對21世紀氣候變化的“聰明”作物

譯者：盧紅玲，朱亞輝，劉青山

（1.湖南省農業信息與工程研究所，湖南 長沙 410125；2.長沙師范學校，湖南 長沙 410100）

據聯合國糧農組織估計，到2050年，全球糧食需增產超過70%才能滿足地球上90億人口的剛性需求。但是，實現這一增長目標受到了諸多限制：一方面，為解決人口增長帶來的食物需求問題，糧食產量年增幅需達到37%以上，而這一問題在貧窮的發展中國家尤為突出。另一方面，強降水、熱浪、海平面升高等現象在世界多地發生，產生了洪水、干旱、鹽堿化等嚴重后果，這些極端天氣頻發嚴重制約了糧食的持續增產，繼而威脅到全球糧食安全。

新技術、新農藥的應用和高產作物品種的引進曾有力地促進了糧食增產，從1961開始，近50年來，盡管全球耕地面積只增加了12%，糧食產量卻增加了150%。但由于全球氣候變化及不合理的耕作方式，耕地質量下降，許多地方的糧食產量增長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出，才能解決糧食增產問題。這一理念由Chatham House提出，其核心是“少輸入多產出”，即培育和種植更高產、適應能力更強、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，從而實現高效、“綠色”的生產目標。

1 “聰明”作物的品種特征

經過改良的“聰明”作物品種是遺傳多樣性的組合，適應各種不同的農業生態系統和種植習慣，尤其是能應對氣候變化，這是實現可持續生產集約化的關鍵。除了高產，新的“聰明”作物還要“學著”抵御各種極端天氣，以及隨之出現的新的病蟲害類型。同時，“聰明”作物必須能更有效地投入使用，通過改善營養物質，滿足消費者對健康、多樣化飲食的需求。總之，“聰明”作物品種應具有以下特性：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對耕地、水資源甚至糧食的需求壓力。

2 “聰明”作物的基因來源

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

釋放PGRFA的內在潛能，可從兩個方面做工作：一是擴大可遺傳變異資源的來源，二是誘發基因突變，產生新的可遺傳變異。

2.1 擴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，應鼓勵在遺傳改良培育中使用作物的野生親緣種、本土品種、非適應遺傳物質，甚至某些低產的、具有非期望的特征的遺傳資源。使用這類非適應遺傳物質有時會起到意想不到的效果。據Gur和Zam ir報道，他們引入土豆耐旱、結綠果的野生親緣種質基因，結果使土豆產量提高了50%。

Pi黃ctu志 re農: 21世紀，氣候變化將導致極端天氣頻發

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“遺傳倉庫”，它們在馴化過程中往往沒有被用到。還有些已經適應了新氣候的物種，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資源，對提高作物產量、改善品質、提高對生物和非生物逆境的抗性具有重要作用。在相當長一段時間里，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、獲取和可持續利用PGRFA。只有徹底打破國家與地區之間的界限，通力合作，才能使這項工作順利進行。當然，利用這些資源還需要大量的時間和費用。

2.2 誘發基因突變

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

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，增加產量、提高肥料利用率，以及抗生物和非生物脅迫的能力。這項工作不僅僅依靠育種人員，更需要多方支持、跨學科研究，充分發揮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者如消費者、推廣者、賣家、工廠、田間合作人員等都應參與培育“聰明”作物。除此之外，還應包括育種目標群體，如種植戶和其他終端用戶，以形成反饋機制。種植戶可以在設計、檢測評估和傳播階段參與其中。當前的農業科研模式中，農民參入育種的機會很少，但實際上，農民在選擇、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，作物育種中應該包括農戶的參與式品種選擇，才能構成一個有機整體。

3.2 新的育種技術應用

3.2.1 標記輔助選擇育種 分子標記輔助選擇是伴隨著現代分子生物學技術的迅速發展而產生的新技術，它可以從分子水平上快速準確地分析個體的遺傳組成，從而實現對基因型的直接選擇。目前，標記輔助選擇育種技術的應用主要集中在基因聚合、基因滲入、根據育種計劃構建基因系等方面。

Pi黃ct志u re農: 培育“聰明”作物，以應對21世紀的氣候變化

使用恰當的分子生物學研究方法，定位某個基因組片段（即分子標記），并應用統計算法準確識別“目標基因”在基因組的位置，標記輔助育種技術將在很大程度上促進作物育種技術的發展，并將在開發應對21世紀氣候變化的“聰明”作物中起到關鍵作用。

3.2.2 基因遺傳轉化 遺傳轉化可分為自然遺傳轉化和人工轉化，前者是細胞在一定生長階段的生理特性；后者則是通過人為誘導的方法，使細胞具有攝取DNA的能力，或人為地將DNA導入細胞內。玉米、大豆、油菜和棉花4種作物在應用了該技術后，其抗除草劑和抗蟲性方面的表現十分突出，16年來商用種植面積共增長了94倍。

基因遺傳轉化育種在技術上還存在一些需要攻克的難題，包括大多數轉基因生物的獨立基因缺乏有效的再生系統，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，所涉及到的知識產權問題也會給應用帶來了限制。

3.2.3 新的生物技術 近幾年出現了很多新的生物育種技術，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：屬于轉基因技術的一種，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造新型細胞或整個生物體。

寡核苷酸定向誘變：誘導產生單個或少量核苷酸的目標突變。

同源轉基因技術：將本物種或近緣野生種克隆的優異等位基因導入到要改良的育種材料中。因其和常規育種所要導入的目標基因來源相同，所以培育的新品種也是安全的，且可以縮短育種周期。

RNA介導的DNA甲基化：改良的基因組出現新的表觀遺傳，僅持續幾代。

接穗 ：將非轉基因的枝或芽接穗到轉基因砧木上。

反向育種：結合DNA重組技術和細胞生物學過程，按照親本來源的等位基因進行反向重排而產生新的雜合基因型。

農桿菌浸潤接種：農桿菌屬的懸液和目標基因浸潤，接種到植物體（通常是葉片）上，以使基因性狀在局部瞬時高水平表達。主要用于研究，比如研究病菌對活體的作用，以選擇親本系號或者評估轉基因效率。

合成基因組學：根據天然的基因組序列信息設計對應的短DNA片段，用化學合成的方法合成這些DNA片段，然后組裝成大功能的DNA分子，用于產生生物燃料和醫藥品。

3.2.4 高通量的表型評估 育種過程中，從大量材料中篩選合適的個體是個艱巨的任務。為使育種過程更為高效，材料的表型評估應與高通量的分子檢測同步。

4 小 結

總之，要培育應對21世紀氣候變化的“聰明”作物，就必須增加作物的遺傳多樣性、確定育種對象、創新以結果為導向的育種方法，必要時，要進行政策性及戰略性干預。

從全球的角度來講，則需要以積極可行的政策促進植物育種，努力提高各國品種改良的能力；加強培訓，提升21世紀育種人員的能力；爭取合作伙伴，發揮公共和私營部門的協同作用；提高PGRFA在“聰明”作物育種中的貢獻率；此外，還需加強發展中國家的農業研究和技術推廣體系建設。