|
摘要 作物改良可以帮助我们应对养活100亿人口的挑战，问题在于，我们能否以足够快的速度培育出更好的品种？基因分型、标记辅助选择、高通量表型、基因组编辑、基因组选择和重新驯化等这些技术都可以结合快速育种技术，使植物育种学家们能够跟上环境变化和人口增长的步伐。 未来30年，全球人口预计将增长25%，达到100亿。迄今为止，传统育种方法已经生产出了高产量的营养作物，可以通过机械收割来满足不断增长的人口的粮食需求。但是，目前，包括小麦、水稻和玉米产量的增长速度仍不足以满足未来的需求。因此育种家和植物科学家承受着改良现有作物和开发新作物的压力，未来的作物必须更高产、更有营养、抗病虫并智能适应气候变化。 与12000年前第一批谷物作物被驯化时不同，今天的植物育种家有大量的创新技术用于寻求作物品系改良。例如，自动化高通量表型系统的发展使更大群体的评估成为可能，这增加了选择强度并提高了选择准确性。将最先进的技术与快速育种相结合，这将有助于应对养活100亿人口挑战的努力夯实基础。 快速育种的发展 图 1 关键植物育种技术和技术时间表  一些事件已经按主题进行了颜色编码：绿色，左，传统育种；绿色，右，基因组工程；棕色，DNA标记；粉色，基因组序列；蓝色，其他关键事件。 表 1 按面积和产量划分的世界十大作物快速世代推进方案  图 2 通过快速育种和标记辅助选择进行快速性状堆积  将四个增强抗穗发芽(PHS-A1)、小麦锈病(Lr34)、赤霉病(Fhb1)和耐盐性(Nax1)的性状从不适应背景中叠加到一个优良小麦品种中的策略。经过四轮回交和选择，获得近等基因系(纯度>96%)，再结合两轮杂交(遗传堆积步骤1和2)和选择一个具有所有四个性状的纯合品系(基因堆积步骤3)。B、大田(每年一代)、常规温室(每年两代)和快速繁殖温室(每年六代)的实现四代温室的时间表。 大约在150年前，植物学家首次证明植物可以利用碳弧灯在人造光下生长。随后，研究人员评估了连续光照对植物生长的影响。20世纪80年代中期，美国宇航局与犹他州立大学合作，探索在空间站持续光照下种植快速循环小麦的可能性。这一共同努力导致了“USU-Apogee”的开发。与此同时，俄罗斯科学家在1993年提议测试“太空镜子”，将夜晚变成白天，从理论上提高地球上的农业生产力。1990年，威斯康辛大学对发光二极管(LED)对植物生长的影响进行了评估，LED技术的不断改进大大降低了室内植物繁殖系统的成本，从而提高了作物的生产力。 受美国宇航局工作的启发，昆士兰大学的研究人员在2003年创造了“快速育种”这个词。不像双单倍体技术，快速育种适合于不同的种质，不需要专门的实验室进行体外培养。该技术利用最佳的光质量、光强度、日照长度和温度控制来加速光合作用和开花，加上及早收获种子以缩短世代时间。此外，快速育种还可以加速性状的回交和聚合(图2)，以及转基因研发产线。 精心的策划可以用来创建DNA标记检测、快速育种和田间表现评估的研发线。2017年，首个通过快速育种开发的春小麦品种“DS Faraday”在澳大利亚发布。在这种情况下，我们利用快速育种来加速谷物休眠基因在作物成熟时抑制萌发的渗入，从而生产出对收获前萌发具有更高耐受性的高蛋白的面粉小麦。 对于那些没有大型设施的研究人员，可以建立小型、低成本的快速育种单位。快速育种还可以加速发现和利用地方种族和作物野生近缘的等位基因多样性。例如，利用快速育种技术与已知基因相关的DNA标记筛选Vavilov小麦采集叶锈病抗性，促成发现了新的抗性来源。 更快,更好的表现型分析 表型分析是指对植物生长、发育和生理学的任何方面的测量。表型特征产生于基因型和环境之间的相互作用，包括光合机制的荧光特性、生长速度、抗病性等，并最终表现为产量构成因素。优良表型分析是植物育种的核心，是选育新品种的主要依据。因此，表型方法的改进必须综合考量准确性、速度和成本之间的平衡。 我们对植物对环境的反应的理解可以进一步增强并实现自动化。这些技术的结合能够提高表型准确性和降低成本。更便宜的现场操作平台正变得越来越强大且实用，特别是能够携带大量有效载荷并保证足够飞行时间的无人机的应用越来越广泛。随着基因组学的快速发展，更好的表现型工具正在引领加速育种的时代。 田间种植作物表型分析的创新只能与快速育种相结合，以便选出在目标环境与快速育种条件之间均保持稳定的性状。耐受某些害虫和疾病的抗性表型分析也可以整合到快速育种研发线中，以进行单一性状的表型分析。快速育种设施与自动化高通量表型分析平台的整合将进一步加速功能基因座和基因的发现，并有助于对植物生长和发育有影响的特定基因进行特征分析。 随着低成本计算机和其他硬件的出现，表现型平台正变得便宜且易于获取。尽管在受控环境中对表型分析有优势，但对于简单的疾病性状，表型分析最好在多次田间试验中得到证实。对于抗旱和高产之类更复杂的性状，表型分析必须在田间目标环境中进行。 作物改良的快速编辑 图 3 快速编辑方法  其中快速基因组编辑可以直接在快速育种系统中执行。为了避免实验室条件下植株再生的瓶颈，可以将Cas9基因和sgRNA序列直接应用于植物。分离的后代可以被筛选出新的性状(例如，抗病)，而缺乏Cas9但携带新性状的植株可以被识别出来。或者，Cas9可以保留在“CRISPR-Ready”植物中，通过对不同的基因靶标应用sgRNA，这些植物可能会经历更多的编辑周期。 对于基因编辑和转基因性状而言，可以通过将这些工具纳入快速育种研发线而更快的实现其优势。许多第一代基因编辑应用仅依赖于一到两个非优良基因型，他们的优点在于容易进行植物组织培养和转化中再生。最近开发的技术甚至可以为优良品系提供高的转化效率。应用基因编辑仍然需要耗时的组织培养过程，以及适合使用Cas9基因和单导RNA ( sgRNA)序列进行遗传操作的具有一定物理防护水平的专业实验室。然而，在快速育种系统中直接合并基因编辑的系统，如ExpressEdit(图3)，可以绕过植物材料体外操作的技术瓶颈。虽然并未常规操作，但已经采取了许多步骤来快速跟踪基因编辑，如下所述。 在CRISPR基因编辑中，sgRNA将Cas9酶引导到目标DNA位点，Cas9将该位点的DNA剪切。可以产生含有异源Cas9基因的“CRISPRready”基因型。现在有不同的方式交付sgRNA用于目标基因组编辑。然而，该技术仍将产生受调控的转基因植物，并且将需要提供转基因、Cas9以及大多数情况下的选择标记基因的被编辑基因座在随后的分离状况。整合基因组编辑和不需要组织培养的快速育种需要许多技术突破，最理想的结果是不需要组织培养的等位基因修改或外源DNA的应用，因为这些可以避免转基因生物标记(图3)。单一或多重编辑已被广泛证明可以实现，现在可以使用无组织培养技术来实现。 快速基因组选择 图 4 育种策略  传统育种策略与利用双单倍体 (DH)、快速育种 (SB)、基因组选择 (GS) 和 ExpressEdit（用剪刀表示）的渐进策略的育种策略的可视化表示和周期长度比较。粉红色阴影表示在速度繁殖条件下执行的步骤，而绿色阴影表示在常规条件下执行的步骤。块箭头表示单代。弯曲的箭头表示育种流程中的步骤，在这些步骤中，通过田间评估或基因组选择确定的最佳品系被用作亲本以进行新的杂交。为近交作物提供的示例。 利用连锁DNA标记追踪少量基因或性状的标记辅助选择，已成功地应用于几乎所有的作物育种项目，以寻找影响较大的突变性状。相比之下，基因组选择利用全基因组DNA标记来预测育种个体在复杂性状上的遗传价值。这项技术的发展有助于在大量基因及调控元件的背景下，了解复杂性状（如产量）究竟是受到哪些变量的综合影响。这些变异的影响是通过与全基因组DNA标记的连锁不平衡来捕获，标记的影响在大的参考或训练种群中估计，其中包括标记基因型和性状被测量的系或个体。一旦标记效应得到估计，育种的候选系就可以进行基因分型。然后，评估每个候选株系的育种价值，其基因组育种价值(GEBVs)估计为它们所携带的标记等位基因的标记效应之和，随后，可以选择GEBV排名最高的株系繁殖下一代。与传统育种方法相比，基因组选择的一个优势是，可以在品种发育的早期就选择株系作为亲本(图4)，并且基于GEBV的多个育种周期可以在与传统育种单个周期相同的时间内完成。通常在品种研发线后期（评估阶段）才进行测量的性状（如产量）来说，基因组选择的最大潜力在于节省时间和资源。 为了获得更大的收益，可以使用基因组选择对多个性状同时进行靶向筛选。例如，为选择具有高产特性的植物，可以通过使用多性状的方法来纳入能够以高通量并能在早期阶段进行测量的表型，从而提高选择的准确性，并综合考虑GEBV值，以将产量潜力最大化。 基因组选择在与其他技术组合使用时会带来最大回报，即缩短传代间隔时间和包括影响目标性状的决定性突变的准确位点，因为在这种情况下，预测不再依赖于DNA标记与决定性突变之间的连锁不平衡。由于快速育种可以实质上减少传代的间隔，通过在每一代应用基因组选择带筛选出选择下一代的父母本，这种方法所带来的的遗传增益可以大大增加。 基因组选择也可以用来在整个基因组中叠加有用的单倍型，从而从群体中分离的可用单倍型创建一个最佳的种植品系。然后，可对基因组的各个部分确定出具有最高GEBV值的单倍型，这些最佳单倍型可以通过最佳杂交模式叠加到单个植株中。这种性状叠加的方法结合快速育种，可用于快速开发具有多种性状表现俱佳的作物新品种。 快速驯化 植物驯化是一个漫长的选择一系列性状突变的过程。驯化通常与多倍体有关:事实上，大多数作物都是多倍体。然而，由于亲缘间的性隔离和多体遗传，多倍体使作物改良复杂化。多倍体与驯化直接相关，通过重新创建多倍体进行快速的重新驯化是从野生近缘种引入新的基因和等位基因的最直接途径。这种重新驯化过程可通过快速育种进一步加速。 为了避免多体遗传，在某些物种中，可以使用具有所需性状的供体在二倍体背景下进行育种，然后通过未减数的配子和/或倍间杂交重新构成多倍体。与直接育种多倍体相比，该方法所需的时间和资源更少。 其他驯化新物种的方法包括利用已知的驯化基因来重演驯化植物的理想株型。以孤生作物和野生物种的驯化相关基因为目标，已经利用CRISPR-Cas9基因编辑技术得以实现。工程改良的新驯化品种可以直接用作农作物，也可以与优良品系杂交，在不存在与野生种质利用相关的时滞的情况下，快速引入新的性状。 编辑和诱变结合快速育种也可以适用于通过生物强化制造更健康的食品。通过基因编辑的驯化过程可以通过产生直接与高级株系杂交的株系，快速开发作物野生亲缘基因库，而且几乎没有遗传阻力。结合快速育种，这些工具提供了快速获得新的遗传变异的途径，并加速将这种变异应用到农民的土地上。 快速育种2.0 图 1 增压”植物生长：快度育种 2.0。  a.种子休眠可以通过分层或通过施用植物激素，如赤霉酸（GA3）来打破。 b.可以避免种子成熟以减少世代时间；收获未成熟胚胎最节省时间，但需要体外培养，而一些种子（例如小麦和大麦）可以早期收获并干燥，然后再传给下一代。 c.如果可以取消春化的要求，这将减少冬季作物的世代时间。 d.升高的温度促进植物生长（1），但在热敏感阶段应避免高温，以防止发育停滞，例如小麦减数分裂期间（2）。 e.日光、高压钠蒸气 (HPS) 灯、LED 和激光的光谱分布。红色和蓝色矩形代表可以在植物光合作用中利用的波长。对于人造光源，给出了从电到光的转换效率。 f.增加日照长度会减少长日照和日间中性作物的生成时间。 g,h.光强度和二氧化碳浓度的优化。 i.与土壤相比，水培法可以促进生长，因为二氧化碳和其他有害溶质可以从根部循环，同时使根部接触更多的氧气和养分。 展望 对于一些作物来说，由于对延长日照时间的敏感性，或者由于额外的光照不能加快性成熟的时间，因此无法实现快速育种和与其他育种技术的整合。例如，番茄对持续光照很敏感，但研究人员已经发现了一种番茄基因，它能使植株耐受持续光照，如果将这种基因转移到在快速育种条件下生长的品种上，其果实产量可增加20%。同样地，基因或环境的解决方案也可以使其他不耐生长的作物实现快速育种，如玉米这样的短日照作物和甜菜这样的二年生作物。利用海水的蒸发冷却系统、有选择性地传输促进植物生长的波长的半透明太阳能电池板，以及更高效的照明系统(如激光)等创新可以降低未来的快速育种成本，并扩大应用范围。 在过去的100年里，植物育种提供了高产量的作物，维持了人口的增长。利用一系列现代育种技术开发下一代作物品种，将满足未来几十年人口进一步增长的需求。 文献引用自Hickey, L.T., N. Hafeez, A., Robinson, H. et al. Breeding crops to feed 10 billion. Nat Biotechnol 37, 744–754 (2019). 原文链接 |https:///10.1038/s41587-019-0152-9 |
|
|
