Plantarray植物逆境生理研究平臺(tái)：植物輔助育種研究

在理解植物生物學(xué)、新的遺傳資源、基因組改造和組學(xué)技術(shù)方面的進(jìn)步為在不斷變化的環(huán)境條件下的食品安全和新型生物材料生產(chǎn)提供了新的解決方案。新的基因和種質(zhì)候選者有望在壓力下提高作物產(chǎn)量和其他植物性狀，必須通過(guò)大規(guī)模實(shí)地評(píng)估，在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展階段。因此，定量、客觀和自動(dòng)篩選方法與決策算法相結(jié)合可能具有許多優(yōu)勢(shì)，能夠在早期階段快速篩選最有希望的作物品系，然后進(jìn)行最終強(qiáng)制田間試驗(yàn)。新型分子工具、篩選技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估的結(jié)合應(yīng)該成為農(nóng)業(yè)植物生物技術(shù)革命的主要目標(biāo)。

圖1.農(nóng)業(yè)生物技術(shù)加工和篩選漏斗

植物生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展取決于各種科學(xué)投入的有效組合和應(yīng)用（圖1），這些投入是進(jìn)入生物技術(shù)處理漏斗的成分：細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)和代謝、各種組學(xué)、系統(tǒng)和合成生物學(xué)方法，以及其他技術(shù)（如組織培養(yǎng)、轉(zhuǎn)化、信息學(xué)）。植物生物學(xué)的其他主要成就是植物基因組工程的新方法。例如，細(xì)菌RNA導(dǎo)向的CRISPR–Cas9核酸內(nèi)切酶是真核生物中位點(diǎn)特異性基因組修飾的通用工具。該方法適用于任何模式生物的基因組編輯，并最大限度地減少非靶點(diǎn)突變的混淆問(wèn)題，除其他新技術(shù)外，有望成為等位基因修飾、基因置換、蛋白質(zhì)組結(jié)構(gòu)表征和翻譯后修飾的方法。這種快速擴(kuò)展的基因組工程工具包可以提供的對(duì)植物基因組遺傳信息的控制，對(duì)于闡明植物代謝、生理和形態(tài)特征，從而更好地控制和修改生物結(jié)構(gòu)和功能非常重要。

圖2.縮小基因型-表型差距

田間表型分析可以增加高潛力候選作物的比例和數(shù)量，從而節(jié)省時(shí)間和金錢，縮小基因型-表型差距，是主要的農(nóng)業(yè)技術(shù)愿景之一（圖2）?；虬l(fā)現(xiàn)整合了分子生物學(xué)和組學(xué)工具和程序，上圖所示。 接下來(lái)是概念驗(yàn)證小組，其中包括基因轉(zhuǎn)移階段和各種組織培養(yǎng)操作。 轉(zhuǎn)化植株的早期發(fā)育發(fā)生在離體植株再生之后，產(chǎn)生各種性狀的候選植株。通過(guò)發(fā)現(xiàn)和概念驗(yàn)證階段的候選植物在整個(gè)篩選和發(fā)育階段接受若干額外的評(píng)估和評(píng)估步驟，選擇表現(xiàn)出良好耐逆性的品系，同時(shí)保持其他理想性狀，如產(chǎn)量（數(shù)量和質(zhì)量）、生長(zhǎng)和發(fā)育。

今天的主要程序是使用傳統(tǒng)的、基于田間的選擇過(guò)程從數(shù)千種植物中選擇少數(shù)植物，這些過(guò)程需要整個(gè)季節(jié)和重復(fù)的大規(guī)模田間試驗(yàn)。這個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程可能會(huì)持續(xù)數(shù)年并需要大量資源，從而限制了可以同時(shí)篩選的有希望的候選者的數(shù)量。我們?cè)O(shè)想開(kāi)發(fā)一個(gè)高分辨率、高通量的診斷篩選平臺(tái)，用于研究全植物生理性能，作為表型篩選——“生理組學(xué)"（圖2）——從而彌合現(xiàn)有的基因型 - 表型差距。數(shù)百種承受多種壓力條件組合的植物可以在其生命周期的特定階段同時(shí)進(jìn)行篩選。表型篩選系統(tǒng)可以顯著加速開(kāi)發(fā)過(guò)程，并允許在受控標(biāo)準(zhǔn)和壓力條件下連續(xù)測(cè)量作物行為，在溫室的早期階段消除那些不太可能在田間試驗(yàn)中表現(xiàn)良好的候選者。表型分析過(guò)程的成本是一個(gè)重要問(wèn)題；然而，這項(xiàng)技術(shù)正在迅速發(fā)展，目前還很難估計(jì)成本。

圖3.植物作為生物材料的工廠

植物以相對(duì)較低且廉價(jià)的投入產(chǎn)出50多萬(wàn)種次級(jí)代謝物。新的基因發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)的代謝組學(xué)數(shù)據(jù)、植物工程程序和工業(yè)平臺(tái)的可用性不僅可以提高食品和傳統(tǒng)植物衍生產(chǎn)品（如纖維和軟木塞）的產(chǎn)量，還可以提高新型非植物化合物的產(chǎn)量（圖3）。這些包括以下簡(jiǎn)要提及的幾個(gè)主要類別，其中一些是潛在的有吸引力的石化材料替代品，可以在轉(zhuǎn)基因植物中生產(chǎn)。

雖然植物農(nóng)業(yè)生物技術(shù)由于新的分子標(biāo)記輔助作物育種和基因工程的實(shí)施而取得成果，但重要的是要將許多重大成就與幾個(gè)遺留問(wèn)題區(qū)分開(kāi)來(lái)，并指出未來(lái)的研發(fā)需求。在基因型水平上，基因組作圖和組學(xué)標(biāo)記的使用帶來(lái)了令人印象深刻的進(jìn)步，并成為幾種田間、園藝和森林植物育種的常規(guī)。在表型水平上，改良的農(nóng)業(yè)技術(shù)（如精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)）正在不斷發(fā)展，從而提高了農(nóng)業(yè)、園藝和林業(yè)的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀。此外，正在開(kāi)發(fā)新的高通量選擇系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定性狀的快速田間前篩選，并可能最終成為常規(guī)。因此，我們敦促采用系統(tǒng)生物農(nóng)業(yè)綜合方法，同時(shí)考慮植物微生物組群，以在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)植物生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。