培育应对21世纪气候变化的“聪明”作物

译者：卢红玲，朱亚辉，刘青山

（1.湖南省农业信息与工程研究所，湖南 长沙 410125；2.长沙师范学校，湖南 长沙 410100）

据联合国粮农组织估计，到2050年，全球粮食需增产超过70%才能满足地球上90亿人口的刚性需求。但是，实现这一增长目标受到了诸多限制：一方面，为解决人口增长带来的食物需求问题，粮食产量年增幅需达到37%以上，而这一问题在贫穷的发展中国家尤为突出。另一方面，强降水、热浪、海平面升高等现象在世界多地发生，产生了洪水、干旱、盐碱化等严重后果，这些极端天气频发严重制约了粮食的持续增产，继而威胁到全球粮食安全。

新技术、新农药的应用和高产作物品种的引进曾有力地促进了粮食增产，从1961开始，近50年来，尽管全球耕地面积只增加了12%，粮食产量却增加了150%。但由于全球气候变化及不合理的耕作方式，耕地质量下降，许多地方的粮食产量增长率只有高峰期的一半。而今后，在不断恶化的气候条件和自然资源条件下，必须致力于提高单位投入的产出，才能解决粮食增产问题。这一理念由Chatham House提出，其核心是“少输入多产出”，即培育和种植更高产、适应能力更强、适用范围更广、水、肥及其他投入利用率更高的“聪明”作物品种，从而实现高效、“绿色”的生产目标。

1 “聪明”作物的品种特征

经过改良的“聪明”作物品种是遗传多样性的组合，适应各种不同的农业生态系统和种植习惯，尤其是能应对气候变化，这是实现可持续生产集约化的关键。除了高产，新的“聪明”作物还要“学着”抵御各种极端天气，以及随之出现的新的病虫害类型。同时，“聪明”作物必须能更有效地投入使用，通过改善营养物质，满足消费者对健康、多样化饮食的需求。总之，“聪明”作物品种应具有以下特性：能用作食品、生物能源底物、畜禽饲料、还能提供纤维，这些植物纤维能帮助减轻纤维工业对耕地、水资源甚至粮食的需求压力。

2 “聪明”作物的基因来源

人类活动及生物的自然进化，使得用作粮食的植物品种遗传来源非常狭窄，这在一定程度上导致了当遭遇相同胁迫时，会对这些植物造成毁灭性结果。而培育“聪明”作物，最重要的就是要充分利用粮食与农作物的遗传资源，即PGRFA（plant genetic resources for food and agriculture）。

释放PGRFA的内在潜能，可从两个方面做工作：一是扩大可遗传变异资源的来源，二是诱发基因突变，产生新的可遗传变异。

2.1 扩大可遗传变异资源的来源

为改变可遗传变异来源狭隘的状况，应鼓励在遗传改良培育中使用作物的野生亲缘种、本土品种、非适应遗传物质，甚至某些低产的、具有非期望的特征的遗传资源。使用这类非适应遗传物质有时会起到意想不到的效果。据Gur和Zam ir报道，他们引入土豆耐旱、结绿果的野生亲缘种质基因，结果使土豆产量提高了50%。

Pi黄ctu志 re农: 21世纪，气候变化将导致极端天气频发

一般，非原位或者田间原位保存的作物野生亲缘种、未充分利用的作物品种和以往被忽视的种类是真正有益的“遗传仓库”，它们在驯化过程中往往没有被用到。还有些已经适应了新气候的物种，他们都有助于培育“聪明”作物。作物的野生亲缘种是作物遗传改良的重要种质资源，对提高作物产量、改善品质、提高对生物和非生物逆境的抗性具有重要作用。在相当长一段时间里，作物改良最可靠的方法是获得大量的种类丰富的遗传变异资源，这也是《PGRFA公约》的工作核心，即保存、获取和可持续利用PGRFA。只有彻底打破国家与地区之间的界限，通力合作，才能使这项工作顺利进行。当然，利用这些资源还需要大量的时间和费用。

2.2 诱发基因突变

如果不能从现有的种质获得可遗传的变异资源，也可以选择诱发等位变异。利用物理或者化学诱变剂，诱发大量不同的基因突变，再根据需要选育出优良品种，已成为一种新的育种方法。诱发基因突变被确立为一种作物改良战略，目前全球已通过这一方法产生了3200多种优良作物品种和观赏植物。定向诱导基因组局部突变技术是一种全新的反向遗传学技术，可快速、有效地诱发、鉴定和定向筛选突变，对作物品种改良具有重要意义。此外，细胞和组织技术也常用于提高诱发突变的功效。

3 “聪明”作物的育种方法

培育“聪明”作物，需要利用尽可能多的可遗传变异资源，增加产量、提高肥料利用率，以及抗生物和非生物胁迫的能力。这项工作不仅仅依靠育种人员，更需要多方支持、跨学科研究，充分发挥PGRFA的潜能，才能最终培育出“聪明”的作物品种。

3.1 参与式作物育种

栽培者和其他利益相关者如消费者、推广者、卖家、工厂、田间合作人员等都应参与培育“聪明”作物。除此之外，还应包括育种目标群体，如种植户和其他终端用户，以形成反馈机制。种植户可以在设计、检测评估和传播阶段参与其中。当前的农业科研模式中，农民参入育种的机会很少，但实际上，农民在选择、改良、改变植物品种方面的作用非常重要，直接影响着作物的育种方向。因此，作物育种中应该包括农户的参与式品种选择，才能构成一个有机整体。

3.2 新的育种技术应用

3.2.1 标记辅助选择育种 分子标记辅助选择是伴随着现代分子生物学技术的迅速发展而产生的新技术，它可以从分子水平上快速准确地分析个体的遗传组成，从而实现对基因型的直接选择。目前，标记辅助选择育种技术的应用主要集中在基因聚合、基因渗入、根据育种计划构建基因系等方面。

Pi黄ct志u re农: 培育“聪明”作物，以应对21世纪的气候变化

使用恰当的分子生物学研究方法，定位某个基因组片段（即分子标记），并应用统计算法准确识别“目标基因”在基因组的位置，标记辅助育种技术将在很大程度上促进作物育种技术的发展，并将在开发应对21世纪气候变化的“聪明”作物中起到关键作用。

3.2.2 基因遗传转化 遗传转化可分为自然遗传转化和人工转化，前者是细胞在一定生长阶段的生理特性；后者则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内。玉米、大豆、油菜和棉花4种作物在应用了该技术后，其抗除草剂和抗虫性方面的表现十分突出，16年来商用种植面积共增长了94倍。

基因遗传转化育种在技术上还存在一些需要攻克的难题，包括大多数转基因生物的独立基因缺乏有效的再生系统，以及在抗非生物胁迫（如气候变化带来的盐碱化和干旱）育种方面的滞后。此外，所涉及到的知识产权问题也会给应用带来了限制。

3.2.3 新的生物技术 近几年出现了很多新的生物育种技术，以下列出8种培育“聪明”作物的新方法。

Zn指蛋白核酸酶技术：属于转基因技术的一种，通过在基因序列的特定部位精确的切断、修改或添加基因来创造新型细胞或整个生物体。

寡核苷酸定向诱变：诱导产生单个或少量核苷酸的目标突变。

同源转基因技术：将本物种或近缘野生种克隆的优异等位基因导入到要改良的育种材料中。因其和常规育种所要导入的目标基因来源相同，所以培育的新品种也是安全的，且可以缩短育种周期。

RNA介导的DNA甲基化：改良的基因组出现新的表观遗传，仅持续几代。

接穗 ：将非转基因的枝或芽接穗到转基因砧木上。

反向育种：结合DNA重组技术和细胞生物学过程，按照亲本来源的等位基因进行反向重排而产生新的杂合基因型。

农杆菌浸润接种：农杆菌属的悬液和目标基因浸润，接种到植物体（通常是叶片）上，以使基因性状在局部瞬时高水平表达。主要用于研究，比如研究病菌对活体的作用，以选择亲本系号或者评估转基因效率。

合成基因组学：根据天然的基因组序列信息设计对应的短DNA片段，用化学合成的方法合成这些DNA片段，然后组装成大功能的DNA分子，用于产生生物燃料和医药品。

3.2.4 高通量的表型评估 育种过程中，从大量材料中筛选合适的个体是个艰巨的任务。为使育种过程更为高效，材料的表型评估应与高通量的分子检测同步。

4 小 结

总之，要培育应对21世纪气候变化的“聪明”作物，就必须增加作物的遗传多样性、确定育种对象、创新以结果为导向的育种方法，必要时，要进行政策性及战略性干预。

从全球的角度来讲，则需要以积极可行的政策促进植物育种，努力提高各国品种改良的能力；加强培训，提升21世纪育种人员的能力；争取合作伙伴，发挥公共和私营部门的协同作用；提高PGRFA在“聪明”作物育种中的贡献率；此外，还需加强发展中国家的农业研究和技术推广体系建设。