Science 综述 | 以调控成花素和赤霉素为核心的农业革命给新旧作物定向育种指明了方向

近期，Science杂志发表了以色列魏茨曼科学研究院Yuval Eshed教授和美国冷泉港实验室Zachary B. Lippman教授联合撰写的题为Revolutions in agriculture chart a course for targeted breeding of old and new crops的综述文章【1】。文章系统总结了以调控成花素和赤霉素两大系统为核心的农业革命对农业生产的推动作用，提出通过基因编辑定向调控这两种途径推动作物的定向遗传改良，拓展作物栽培范围以及推动边缘作物的主流化进程，从而发展可持续农业以满足全世界日益增长的粮食需求。现对该文主要内容进行解读，以飨读者。

自然界存在成千上万种可食用的植物，但只有几百种被人类种植，而其中仅仅数十种作为人类主要食物来源。这反映了几种先锋作物在早期人类食谱中的统治地位。在农业革命的推动下，这些被选择的作物经历了剧烈表型变化，农业革命背后的分子遗传机制主要包括调控成花素（Florigen）系统带来的生殖生长及营养生长的变化；赤霉素（Gibberellic acid）系统突变产生的矮化表型；杂种优势的利用；防止散粒、散荚的优良变异的利用等等。本文主要围绕成花素和赤霉素系统，讨论这两大激素系统的调控在农业革命中的作用以及对于发展可持续农业，推动新旧作物遗传改良的借鉴意义。

图1：农业革命的分子遗传基础

成花素/抗花素与农业革命

成花素是由叶片产生被运往茎尖促进开花的球形蛋白，成花素的促花效应会被同一家族基因编码的抗花素（Antiflorigen）所拮抗。双子叶作物番茄或大豆在进入生殖生长后产生藤状茎或小枝重复进行生殖生长与营养生长的循环，表现出无限生长（Indeterminate）的表型。成花素促进主茎先优先开花，而侧枝的生殖生长则暂时被抗花素所抑制。

20世纪20年代，在一处农田里发现的一个番茄稀有自然变异sp （Self pruning），导致植株变小看起来就如同修剪过一般。sp突变迅速在番茄露地大规模生产中得到应用，改变了加利福尼亚中央山谷的农业生产面貌。到了90年代，研究者发现sp是由抗花素的突变造成的，抗花素突变解除了对侧芽的生殖生长的抑制作用，使得番茄开花、坐果、成熟时期更加集中，生长周期缩短，并且由营养生长与生殖生长交替循环的无限生长型转变为株型矮化紧凑的有限生长型。生长周期变短使番茄适应了较短的生长季，扩大了栽培范围，或在较长的生长季节实现多茬种植；矮化紧凑的株型使番茄不易倒伏适宜密植；集中坐果与矮化株型使番茄更适宜机械化采收。这些农艺性状的改变降低了番茄的种植成本，提高了番茄产量。抗花素突变还在其他双子叶作物的驯化及品种改良过程得到应用，比如大豆（大豆SP同源基因为DT1），草莓，向日葵以及非粮食作物玫瑰，棉花等。

图2：抗花素突变对多种作物表型的改变

赤霉素与农业革命

赤霉素信号途径在促进植物株高，调控开花方面具有重要作用。在植物体内赤霉素由一个复杂的多步骤途径催化合成，活性赤霉素被赤霉素受体GID1（Gibberellin Insensitive Dwarf 1）识别，继而介导一个生长抑制因子DELLA的降解。赤霉素的合成如果受到破坏会导致DELLA积累，DELLA抑制了植物生长，从而呈现矮化表型。同样的DELLA的显性获得性功能突变，使得DELLA不能被GID1介导的途径降解，同样会导致植株矮化。近代农业实践中大量使用化肥，使得作物徒长，茎干纤细，当遭遇暴风雨天气时，容易产生倒伏导致产量损失。通过调控赤霉素途径改善植物株型，首先在单子叶粮食作物中得到应用。发生在20世纪70年代的绿色革命，通过向水稻中导入赤霉素合成基因的功能缺失突变以及向小麦中导入DELLA的功能获得性突变（小麦DELLA同源基因为Rht-1），并组合一些其他的有益变异，最终提高了当时水稻和小麦的产量，多养活了数十亿人口。

图3：绿色革命中利用的矮化突变

定向定量的调控成花素和赤霉素系统

当代农作物遗传改良的核心是通过种间杂交来组合不同的遗传变异，在分离后代中根据表型选择优异的重组单株。该方法耗时耗力，同时由于连锁累赘，在引入有益突变的同时会带入有害突变，并且变异的来源主要依赖于自然突变，以及人工产生的随机诱变。由CRISPR-Cas介导的基因敲除，基因敲入，单碱基编辑等基因编辑技术为加快农作物的育种进程，提供了强有力的支持。基因编辑技术一方面可以在特定的种质内定向进行遗传物质修改，避免了传统育种的杂交过程；另一方面通过基因编辑可以定性定量的产生新的变异。

在有限生长的番茄sp突变体中引入杂合的成花素功能缺失突变，会从一定程度上扩大植株形态，提高产量。杂交水稻的杂种优势的分子基础部分来源于成花素功能缺失型突变的剂量效应。但是由于杂合基因型的传代分离，这种优势性状不能维持。一个可行的解决方案就是利用基因编辑技术产生功能减弱的成花素突变形式，使得双拷贝的弱突变在活性上等同于单拷贝的功能基因，这样就可以使得原来由杂合突变体现的表型得以稳定传代。相应的思路已经在番茄，拟南芥及大豆中得到验证。另一个方法是编辑顺式调控元件，改变基因的表达量，比如在一个优异的水稻纯种中创建弱表达成花素等位基因，使其总表达量将至原表达量约一半，从而稳定原来又杂合成花素所调控的性状。

相同的原则和方法可用于调控赤霉素信号途径，完全的赤霉素合成基因突变会造成植株不育及氮肥利用降低等不利表型。这些不利影响可以被弱突变所抵消，并且赤霉素可通过体外喷施发挥作用，比如调控园艺植物的生长，生产无籽葡萄等。另外赤霉素受体GID1以及抑制因子DELLA通常含有多个家族成员，不同成员突变会产生不同程度的表型变化，这也为定量的调控赤霉素信号途径提供了选择。

拓展作物的种植范围及边缘作物的主流化

日益增长的全球人口数量和不断恶化的气候环境给作物遗传改良的学者们提供了巨大挑战。解决这一问题主要有两种策略，一是提高通过提高单产和扩大种植范围提高现有主要作物的产量，二是开发新的作物来更好的适应气候的变化和满足人们的营养需求。

通过调控成花素/抗花素加速小麦开花，缩短小麦的生长周期，减小整体的植株形态，使小麦可以适应加拿大地区短的生长季节，同时矮小紧凑的株型更加适合于密植，可以保持产量的稳定。类似的将sp突变导入中国棉花品系中，拓展了棉花在中国北方的种植极限。土豆是一种无性繁殖自交不亲和的四倍体作物，开发二倍体品种将大大加快土豆的遗传改良进程。通过基因编辑技术已经解决了二倍体土豆自交不亲和并消除了有害隐形变异的积累，但二倍体土豆相比于四倍体土豆的块茎产量还很低，通过调控成花素/抗花素推迟生殖生长，延长营养生长，可以促进块茎产量的提高。

全球性的可持续食物生产要求人们从肉食为主的饮食转变为素食为主的饮食。肉食主要是蛋白质的来源，这种饮食上的转换要求人们从以前食用高卡路里的主粮，比如水稻，转变为食用高蛋白含量的谷物，比如豆类。大豆驯化及遗传改良过程的积累的经验可直接为其他富含蛋白的豆类孤儿作物的遗传改良提供借鉴，这些孤儿豆类作物主要包括豇豆，扁豆，羽扇豆，木豆，鹰嘴豆等。

对于以种子或果实等为经济器官的孤儿作物的遗传改良，比如姑娘果，埃塞俄比亚画眉草，藜麦，苋菜，猕猴桃等可以通过失活抗花素，引入矮化突变等来促进集中开花，缩小株型，提高抗倒伏能力，提高产量并拓展栽培范围。而对于以营养组织为主要经济器官的作物的遗传改良，比如能源植物柳枝稷，则需要失活成花素延迟开花来增加的整体的生物量。而对这些作物遗传改良的起始基础工作是通过转录组或者基因组测序来确认其成花素或赤霉素系统的核心组分。