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综述|提高作物产量的方法

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发表于 2019-11-10 05:28:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
编辑 |
新锐恒丰研究院

* {( z6 u6 V  u7 R" M- W
作者 |
Julian i. Schroeder etc

7 ~, W5 b9 l5 ?+ f
作者 |
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1679-0

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7 ?7 k8 g4 F$ l" Q! s4 ]; f  x

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小编按: 本文为 2019年11月6日,Nature在线发表的题为 Genetic strateies for improving Crop Yields 的综述文章。

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近日,联合国经济和社会事务部发布一份报告说,2030 年世界人口将从目前的 77亿增至 85 亿,2050年达到 97 亿,2100 年或将达到 110 亿。
按照现在的作物产量,届时将不足以满足全球人口的粮食需求。随着新型病虫害的爆发和干旱及高温等极端气候的频繁出现,可持续、稳定的粮食生产已迫在眉睫。
该文章讨论了利用植物科学解决绿色革命后农业挑战的潜力,并探索了在气候变化中增强作物可持续生产。
此外,该文还认为加速作物改良必须利用自然进化的性状和合成生物学。
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取得的成就
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上个世纪 60 年代的绿色革命,

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使得
小麦,玉米和大米等作物
的产量
大幅
加;
80 年代的转基因技术大大减少了土壤耕作和杀虫剂的使用;
最近的基因组技术提高了作物的环境适应能力和生产力;这些技术在不同时代
8 l- X( f. p* g* |" N; A
满足了当时全球人口对粮食的需求。面对未来人口的不断增长,需要利用
CRISPR-Cas 技术进行基因组定向编辑和改造基因等
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新技术
实现作物产量的稳定增长。

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各环境胁迫下的产量损失
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未来的农业须在变化的气候中满足对营养食品和动物饲料的需求,且减轻农业对环境的影响。植物科学家只有
通过对遗传变异以及分子,细胞和发育途径的深入了解,才能应对这些挑战。目前一个重要的
目标是通过优化光合作用,提高水和养分利用的效率,包括促进作物与微生物之间的相互作用,从而增肌养分的吸收和利用。该综述
回顾了植物科学领域的进展、后绿色革命所面临的挑战及对未来的展望。

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后绿色革命面临的挑战

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尽管绿色革命对粮食安全起到了举足轻重的作用,也带来了一些问题,比如区域发展的不均衡,营养的不均衡,作物多样性的降低引起抵御自然灾害(极端气候和病虫害)的能力减弱和对环境的污染。亚洲人口受益于主粮的增产和大

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面积灌溉的
采用。撒哈拉以南非洲和其他贫困地区由于偏倚的支持和对孤儿作物的投资不足

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小编注:
孤儿作物(orphan crop)是指只在非常局限的地区分布,并被当地人食用的作物。它们在原产地以外的地区并不为人所知。在当代全球化的背景下,随着主流作物如小麦、大米的强势传播,这些孤儿作物正在逐渐从当地人的餐桌上消失。如果我们不重视的话,或许有一天,我们就再也吃不到它们了
。在
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一些地区
,一个意想不到的后果是,含
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大量营养素
水果和蔬菜被富含丰富的卡路里和高价值的
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谷物作物
所取代。面向未来,增加营养丰富的蔬菜,豆类,块茎和谷类作物的产量,对于实现粮食和营养安全非常关键。
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次优环境增产的途径
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产量性状及改良途径
这篇综述讨论了对作物生长至关重要的几个特征,包括与遗传相关的遗传变异和可塑性。
改进(左)和解决特质改进的先进和新兴方法(右)。
压力弹性高硬性状和对动态环境的时间响应有助于产量提高。
改进的机会包括捕获自然遗传变异,基因的功能表征,适当控制内源或转移基因监管控制,低成本和安全的小分子的开发,这些分子可以在胁迫之前或恢复期间输送给植物,通过与共生微生物的相互作用改善植物健康。

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; \) F( e# V# eLeft-产量性状
( H! g# J2 O7 g
Shoot果实/穗部性状
花序结构和育性
从根到根的生物量
光合作用
气孔运动和密度调节
同化加载和分区
衰老时机
根部性状
结构与解剖
增长动力
营养吸收和利用效率
微生物相互作用
抗逆性
干旱,盐度,洪水和极端温度(非生物)
害虫和病原体(生物)
温和的反应以最小化增长损失

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Right-新的机会: E9 F3 @3 O& L0 c6 x
自然遗传变异
抗逆性和恢复机制
性状聚合
基因工程和编辑
在空间上,时间上和诱导控制基因和网络
改善蛋白质功能,靶向性和转化
增强代谢途径
引入综合性状
有益的土壤和叶片微生物组
播种和补充
吸引有益微生物
小分子传递
响应激活
代谢调节
传感器
细胞,器官,冠层和远端
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新的改良途
1. 预防和抵抗新的疾病

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在蛋白质结构水平上阐明受体-病原体识别和激活机制的进展为合理设计受体蛋白提供了策略,这些受体蛋白可以拦截更广泛或替代的疾病因子。
然后可以将新设计的抗性性状转移到农作物的优良品种中,以赋予对现代疾病的抗性。
如在田间试验中,将抗白粉病的小麦Pm3e抗性基因转移到易感小麦品种上产生了有效的抗病性。
此外,将具有来源不同种质的识别模式和环境最佳条件的几种抗性基因堆叠到单个背景中,是获得更持久的抗病性的可靠策略。
另外,考虑到当前的气候趋势,要在高产作物上获得持久的抗性,就需要对病原体种群动态和植物寄主对温度的反应有更多的了解。
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2.抵御非生物胁迫

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与气候变化相关的非生物胁迫破坏了产量,包括洪水,干旱,土壤盐分和极端温度。
通过鉴定与关键性状和信号转导途径相关的基因,随后进行育种或工程改造来改善作物。

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3. 优化光合作用以提高产量
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现代农作物在迅速散布其叶冠层以最大程度地拦截光线以及将碳和营养物质分配到种子方面非常高效。
然而,农作物通过光合作用将吸收的光能转化为糖的效率不高。
理论目标包括扩大和优化由叶冠层捕获的光,在光系统II上更快速地师范非光化学猝灭,增加Rubisco酶的羧化能力以及最小化氧合和光呼吸,增强光合酶的再生能力,减少碳循环,优化电子传输链,将农作物从C3代谢转变为C4代谢,并添加蓝细菌或藻类系统的成分来泵送CO2或分隔Rubisco等等途径。
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4. 大气中二氧化碳的增加和植物失水

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对于通过光合作用固定的每个碳原子,农作物都会通过叶片的气孔孔损失100至400个水分子。
叶片内部CO2浓度的增加导致气孔孔径的减小。
大气中二氧化碳的持续增加使气孔变窄,这可以提高农作物的用水效率。
因此,需要对CO2响应途径有一个完整的了解,以优化和测试现场的用水效率和气体交换策略。
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5. 减少肥料使用的技术
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作物的产量在很大程度上取决于目前主要通过施用无机肥料提供的充足营养。
平衡光吸收和养分吸收对优化产量至关重要。
可以通过改变控制生长和养分利用的转录因子的平衡来弥补氮的不足。
育种还可以通过优化生根系统,养分转运活动和分配来减少养分失衡。
在自然生态系统中,植物经常与有益的微生物接触,这些微生物有助于摄取有限的养分,因此需要更多的研究来从农业中的菌根结合中获得收益。
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