快速繁育的大麥。圖自昆士蘭大學(xué)。
澳大利亞昆士蘭大學(xué)團(tuán)隊(duì)種植的小麥、大麥、鷹嘴豆和油菜在一年內(nèi)最多可以繁育6代，而傳統(tǒng)方法只能生產(chǎn)1到2代。
基因農(nóng)業(yè)網(wǎng)(Panda)編譯：為跟上全球變暖和人口增長的步伐，植物育種家們正加速跟蹤糧食作物的遺傳改良情況。
農(nóng)民和植物育種者正在與時(shí)間賽跑。世界人口增長迅速，需要更多的糧食，但可耕地?cái)?shù)量有限。溫暖的氣溫延長了一些地區(qū)的生長季節(jié)，也給其他地區(qū)帶來了干旱和害蟲。
澳大利亞昆士蘭大學(xué)的植物遺傳學(xué)家Lee Hickey說： “我們?cè)陴B(yǎng)活這個(gè)世界的問題上面臨著巨大的挑戰(zhàn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，到2050年這個(gè)星球上的人口將達(dá)到大約100億，我們將需要比現(xiàn)在更多60％到80％的糧食來養(yǎng)活所有人。再加上氣候變化和疾病蟄伏影響作物生長，使得這個(gè)任務(wù)更加艱巨。”
然而，植物育種是一個(gè)緩慢的過程。使用傳統(tǒng)的育種技術(shù)開發(fā)新的作物——抗旱、抗病、產(chǎn)量更高、營養(yǎng)更豐富——可能需要10年或更長時(shí)間。因此，植物育種家們正在努力加快步伐。
Hickey博士的團(tuán)隊(duì)一直致力于“加速繁殖”，嚴(yán)格控制光照和溫度，使植物超負(fù)荷生長。因此研究人員能夠更快地收獲種子，用于種植下一代作物。
這項(xiàng)技術(shù)受益于NASA關(guān)于如何在空間站上種植作物的研究啟發(fā)，通過每天用藍(lán)色和紅色的LED燈照射22小時(shí)并將溫度保持在62至72華氏度（約為16.7至22.2攝氏度）之間，“哄騙”作物早日開花。2018年11月，在發(fā)表于Nature雜志上的一篇論文中，Hickey博士團(tuán)隊(duì)表示，他們種植的小麥、大麥、鷹嘴豆和油菜在一年內(nèi)最多可以繁育6代，而傳統(tǒng)方法只能生產(chǎn)1到2代。
周一，在Nature Biotechnology 雜志上，該團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)了高速作物育種以及其他可能有助于改善糧食安全的技術(shù)的潛力。研究人員表示，將快速育種與其他最先進(jìn)的技術(shù)（如基因編輯）相結(jié)合，將是創(chuàng)造新作物產(chǎn)品線的最佳途徑。
Hickey博士說：“我們?cè)谶@里真正談?wù)摰氖莿?chuàng)立大規(guī)模的作物工廠?！?/span>
加州大學(xué)戴維斯分校植物育種中心主任Charlie Brummer沒有參與這項(xiàng)工作，但他認(rèn)為，植物研究的新時(shí)代已經(jīng)到來。他說，育種家和育種公司一直試圖盡量減少開發(fā)新品種作物所需的時(shí)間，不過現(xiàn)在，通過高速育種等新技術(shù)，“我們可以做得比過去更好?！?/span>
在150年前，植物學(xué)家就開始在人造光（碳弧燈）下種植植物。隨后，LED技術(shù)的進(jìn)步極大地提高了科學(xué)家們?yōu)槊恳环N作物調(diào)整和定制光照設(shè)置的精準(zhǔn)度。
研究人員還采用了新的遺傳技術(shù)來優(yōu)化開花時(shí)間，使植物更能抵抗全球氣候不斷變暖的嚴(yán)酷考驗(yàn)。與較早的雜交育種和作物遺傳改良技術(shù)不同，像Crispr這樣的新工具可以讓科學(xué)家剔除植物自身DNA中某些可能使它容易受到疾病侵害的部分。Hickey博士和他的團(tuán)隊(duì)正致力于將Crispr機(jī)制直接應(yīng)用到大麥和高粱苗中，以便修改植物的基因，同時(shí)加快繁殖速度。
說起來容易做起來難，尤其是對(duì)某些特殊的作物而言。馬鈴薯和其他一些作物（比如苜蓿）是四倍體，每個(gè)染色體攜帶四個(gè)拷貝。（人類和大多數(shù)動(dòng)物是二倍體，有兩套染色體，來自父本和母本的遺傳物質(zhì)各1套）。育種家如果按照設(shè)想刪除掉了一個(gè)會(huì)降低作物產(chǎn)量的基因，但植物中其他染色體上可能還有這個(gè)基因的3個(gè)拷貝。
這種獨(dú)特的遺傳模式意味著馬鈴薯通常是不育的，必須通過塊莖來繁殖。德國杜塞爾多夫海因里希海涅大學(xué)的植物遺傳學(xué)家Benjamin Stich表示，高速育種和遺傳編輯只能在一定程度上加速這類作物的繁殖。
Stich博士和他的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種稱為基因組預(yù)測的技術(shù)，以快速跟蹤和鑒定具有理想性狀的植物塊莖。首先，研究人員運(yùn)用他們所了解的知識(shí)，明確各種基因如何影響生長和產(chǎn)量。然后，他們將這些數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)模型中，并提取出信息，預(yù)測哪些植物將具有基因和田間產(chǎn)量的最佳組合。
“我們現(xiàn)在可以同時(shí)預(yù)測許多特征，具有高度可靠性，”Stich博士說。他的團(tuán)隊(duì)使用該技術(shù)成功預(yù)測了馬拉松對(duì)馬鈴薯枯萎病的易感性，以及它們的淀粉含量、產(chǎn)量和成熟時(shí)間。
隨著更便宜、更強(qiáng)大技術(shù)的出現(xiàn)，快速改良全球作物的機(jī)會(huì)之門正在打開。Hickey博士的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過與國際半干旱熱帶作物研究所合作以及來自比爾和梅林達(dá)蓋茨基金會(huì)的資助，在未來幾年對(duì)印度、津巴布韋和馬里的植物育種家進(jìn)行培訓(xùn)。
“重要的是，需要確保這對(duì)發(fā)展中國家的農(nóng)民也有好處，”Hickey博士說。大多數(shù)高速育種系統(tǒng)的建立都只需要最基本的技能，并且，在可能缺乏電力和其他資源的國家，可以使用太陽能電池板來為低功耗的LED供電。高速育種也可以與基因編輯和基因組預(yù)測技術(shù)相結(jié)合。
“僅憑一項(xiàng)技術(shù)無法解決我們的問題，”?；┦空f。“我們將需要整合目前可用的所有工具?！?nbsp;
原文鏈接：
https://www.nytimes.com/2019/06/17/science/food-agriculture-genetics.html
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