利用生物技术提振作物生产和应对气候变化——挑战与展望

韩勇，邹美林，程婧晔，童岑，李承道

1.西澳大利亚州第一产业与地区发展部，珀斯 6151，澳大利亚

2.莫道克大学西部作物遗传联盟，珀斯 6150，澳大利亚

21世纪全球人口增长以及人类对食品多元化和营养均衡的需求，对新世纪作物生产，特别是在增产提质方面提出了新的要求。另一方面，由气候变化所诱发的气象自然灾害频发并不断加剧［1］，以及世界各国碳达峰、碳中和“双碳”目标的提出，是当前和今后作物生产需要面对的重要命题和重大挑战。如何解决需求增长与环境、生产条件限制之间的矛盾，需要多学科、产业链上下游的通力合作和协同创新，包括但不限于持续的作物遗传改良、生物技术开发利用、农艺与栽培管理提升和信息技术(人工智能)辅助决策等。

就生物技术而言，从人工诱变育种、分子标记辅助选择、转基因技术，到近来涌现的基因编辑平台［2］，技术的迭代和创新大大加速了作物产量、品质、抗性的关键基因发掘、功能鉴定与育种应用，同时使得作物高效、精准改良与设计育种成为可能［3］。需要指出的是，生物技术的整合应用在主粮作物，包括小麦和水稻中仍有局限，一方面来自技术手段本身的限制，而另一方面来自于社会和民众对技术安全性的担忧［4］。总体上说，常规育种聚合优势基因仍然耗时费力，而利用植物病毒瞬时表达功能基因以实现快速、实时调节作物性状、增强环境适应性，显得相对安全并具有规模化应用潜力［5］。植物瞬时表达系统具有快速且高效表达蛋白的能力，甚至已成为生产新型冠状病毒(SARS-CoV-2)蛋白类疫苗最受期待的表达系统之一［6］。整合、利用不同技术，实现瞬时调控与稳定育种改良相结合，是短期与中长期保障作物生产的一大方向。

本研究探讨了作物生产在当下和未来所面临的需求和挑战，与之对应罗列了作物提质增效、抵御主要逆境胁迫的重要基因资源，概述了不同生物技术手段在短期与中长期保障作物生产的应用潜力，以期在新形势下提振作物生产和应对气候变化。

1 作物生产面临的需求与挑战

1.1 人口增长与初级农产品生产需求

根据联合国经济和社会事务部人口司的统计，全球人口总量预计将于2050年达到91亿，比当前总人口多34%。随着城市化进程的加快和人民生活水平的普遍提高，与之配套的全球粮食产量(不含用于生物燃料的粮食)增幅需达70%。其中，谷物年产量需要从目前的21亿t增加43%至30亿t，肉类年产量需要从现在的2.7亿t增长74%至4.7亿t［7］。

随着人口的持续增长，粮食安全一直是世界共同关注的焦点也是当前全球性问题之一。粮食的数量安全是粮食安全的首要内容。近年来，受新冠疫情和气候变化、自然灾害等因素冲击，全球粮食短缺问题愈加严峻。全球饥荒人口比例由2020年的8.4%增长到2021年的9.9%，即从6.5亿增长到7.68亿左右。其中亚洲(4.18亿)和非洲(2.82亿)的粮食短缺问题最为突出［8］。根据联合国粮农组织的预测，到2050年，饥荒人口仍占全球人口总数的8%［9］。粮食短缺问题将是21世纪上半叶全球面临的一项重要挑战，提高农作物产量仍将是育种家追求的目标。小麦、水稻等作物高产品种的培育和转基因等生物技术的运用显著提高了作物产量［10-12］。

另外，粮食的质量和营养安全是粮食安全的更深层次内容。随着生活品质的提升，在满足了温饱的基本需求后，人们更加关注食品多样性和营养均衡。除了必要的小麦、水稻等主粮外，大众对高品质的次级产物肉禽蛋奶的需求也不断增加。需要指出的是，不断增加的次级农产品进一步增加了初级农产品的需求。以鸡蛋为例，在2012年到2020年之间，全球鸡蛋的消耗量每年以2.9%的速度增加。中国是全球鸡蛋消耗量最大的国家，2020年鸡蛋的生产量为5 900万t，消耗量为5 860万t［13］。每只蛋鸡每天至少消耗120 g饲料［14］，其中以玉米为主，小麦、高梁和大麦等谷物为辅［15］。再比如牛奶，美国人均奶制品消耗量2019年(293 kg/人)同比2009年(276 kg/人)增加了6.2%［16-19］。同时，对比2050年和2015年，发展中国家(78 kg/人与55 kg/人)和发达国家(216 kg/人与203 kg/人)在牛奶人均需求上还会继续增大［20］。而牛奶和牛肉的产量，都建立在高能量和高度可消化的牧草以及低纤维含量谷物的浓缩饲料之上［21］。因此，主粮、杂粮和饲料作物生产都需要保证充分增长才能满足人类对饮食营养和健康的需求。

1.2 气候变化威胁作物生产

农业气象灾害主要是指由降水异常导致的干旱、涝渍和温度异常形成的低温冷害、高温热害以及综合性气象因素造成的酸雨、风害等气象灾害。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第六次评估报告显示，目前全球平均表面温度(2011～2020年)比工业化前(1850～1900年)已升高1.1 ℃，且还将持续上升［1,22］。全球平均气温的升高加剧了水文循环且影响了降水特征，暴雨、干旱和高温等极端气象灾害的发生频率和严重程度在全球多地呈递增态势［1,23］。以高温为例，观测资料显示，目前每10 a发生1次的严重高温事件，而在工业化前50 a间仅发生过1次。倘若全球温度再上升1.5 ℃，则大约每5 a会出现1次极端高温天气［1］。随着全球平均气温每升高1 ℃，由气候变化所带来的影响将会使全球玉米产量平均下降约7.1%～7.4%，小麦产量平均下降约3.7%～6.0%，水稻和大豆分别减产约2.3%～3.2%和3.1%～4.0%［24-25］。虽然玉米作为热带作物可以在短时间耐受低于40 ℃的高温，但无法在长期高于35 ℃的环境中正常生长［26］。相关研究证实，在持续高于30 ℃的温度条件下，玉米和大豆的产量会下降约6%［27］。高温胁迫还会带来严重的生理干旱问题，并与干旱胁迫相结合加剧玉米的减产［26］。近年来作物高温胁迫问题已受到了广泛关注，而由气候变化所带来的冻害风险亦不容忽视。在一系列关于气候变化对小麦生长发育影响的试验中，目前研究一致认为冬小麦不但容易受到高温影响而且极易受到低温损害［28-31］。在全球变暖的背景下，暖冬和早春现象可能会导致植物过早发育，随后的霜冻则会造成严重损害［22,32］。不断变化的气候条件给农业生产带来了诸多不稳定因素，且会对作物产量造成严重影响。因此从作物本身出发，挖掘抗(耐)性种质和遗传资源，并整合、利用现代生物技术降低气候变化所带来的损失有着重要现实意义。

1.3 “双碳”目标对作物生产的限制

2 作物增产提质、抵御逆境胁迫的基因资源

遗传定位与关联分析、功能基因组学、多组学联合分析以及高通量测序技术的发展，使得作物重要基因发掘和功能解析快速迈进。尤其在以拟南芥［42］和水稻［43］为主的模式植物中，现有研究在植物营养元素(氮、磷、钾)转运和代谢的分子调控、对环境因素(水分、温度、无机盐)的感知和响应机制、物候(开花)和产量形成的分子调控网络方面，取得了系统性的丰富成果。针对作物生产高产、优质的目标，以及应对气候变化和“双碳”计划，表1列举了植物中近二十年来鉴定发现的重要基因及其功能，涉及产量和物候(开花)、耐逆性(干旱、涝渍、高温、低温、盐害)以及养分(氮、磷、钾)高效利用和重金属吸收转运等关键性状。利用这些基因(家族)为代表的遗传资源，结合现代生物技术和育种手段去操纵、聚合相关基因，有助于在新形势下提振作物生产。

3 保障作物生产的生物技术发展及应用

作物转基因、基因编辑技术和蛋白瞬时表达系统的开发应用，将是作物生产和品种改良的有力武器。以转基因和基因编辑为代表的分子育种手段，目的性强，可以通过改变一个或数个基因来获得目的性状，能兼顾高产、优质、抗逆、营养高效等多种性状的改良，弥补了传统杂交育种周期长、效率低、预见性差等局限性［121］。近二十年来功能基因组学的发展，推动了作物重要农艺性状相关基因的鉴定(见表1)，为分子育种奠定了理论前提和基础。近年来，利用植物病毒瞬时表达功能基因，使作物在生育期快速获得目的性状或环境适应性［5］，在生产应用上表现出巨大潜力。将作物性状瞬时调控与育种改良相结合，能够在短期及中长期保障作物生产并应对气候变化。

3.1 转基因育种

自1992年美国农业部批准首个转基因作物(Calgene公司Flavr Savr番茄)上市以来，截至2019年，转基因作物在全球29个国家种植面积已达到1.9亿hm2［122］，主栽作物按面积大小依次为大豆(48.2%)、玉米(32.0%)、棉花(13.5%)和油菜(5.3%)。尽管这4种作物主要提供油料、能源和纤维来源而非作为人类主食，转基因技术也已经在主粮作物水稻［123］和多种水果中［124］推广应用。目前，转基因技术以农杆菌(Agrobacterium)介导的载体递送系统为主，以基因枪、聚乙二醇(PEG)等介导的载体直接导入技术为辅，同时花粉管通道转化、生殖细胞浸泡吸收等方法也有报道［123］。转基因作物改良的性状围绕抗虫(Bt)、抗除草剂(草甘膦)、抗病［121］等，同时在抵御非生物逆境如盐害、低温［125］，调节开花、休眠、果实成熟［124］，改善营养品质［126］等性状上也有成功应用。据统计，在1996～2018年间，转基因作物累计增加产量达8.2亿t，价值2 249亿美元；保持生物多样性和水土达2.3亿hm2；减少杀虫剂使用约77.6万t；在2018当年减少碳排放2 300万t；为1 700万农民家庭增加了经济收入［122］。事实证明，将转基因技术与常规育种技术结合，能培育优质多抗、高产高效作物新品种，大大提高品种改良效率，并可降低农药、肥料投入，在缓解资源紧张、保障食品安全、保护生态环境、拓展农业功能等方面潜力巨大［127］。

需要指出的是，尽管转基因作物已被大面积栽种和大量消费，当前学术界和公众对转基因食品安全性和环境风险性仍存在争论。转基因作物在种植、进出口贸易、食品制造过程中所适用的法规在各个国家之间也不尽相同［128］。例如食品标注，除美国未统一要求外，有64个国家要求转基因食品强制标注［129］。第一代转基因作物表达的抗虫、抗除草剂基因主要来自于细菌，相对于这些“外源”抗性基因，利用杂交亲和或同种作物来源的基因作为目的基因，即同源转基因和内源转基因，能降低对转基因作物安全性的担忧［130］。

3.2 基因编辑技术

利用基因编辑在基因组中创造定向突变，用以研究基因和基因通路功能并进行精确遗传改良，是当前作物科学研究的热点。尤其以CRISPR/Cas9为代表的编辑系统，因其准确、高效、突变位点宽泛和脱靶效应可控，迅速在多种作物包括水稻［131-132］、小麦［133-134］、玉米［135-136］、大麦［137-138］、大豆［139］、番茄［140］和马铃薯［141］等中得到开发应用。利用该系统已成功创制了一批突变体并精准改良了性状，如白粉病抗性(mlo)、籽粒粒重(gw2)、氮利用效率(are1)等。但是，CRISPR/Cas9通常诱导基因敲除，限制了它在基因操纵中的应用潜力。2019年，DAVID LIU课题组开发了一种新的精准基因编辑工具，即引导编辑(prime editing)，该方法不依赖DNA模板便可实现任意碱基替换和小片段精准删除、插入，这一突破扩展了基因编辑的范畴和自由度［142］。随后，引导编辑技术成功在水稻和小麦中应用和优化［143］，提高编辑效率达3倍［144］。利用引导编辑定向修饰乙酰乳酸合成酶基因(acetolactate synthase，ALS)，现已创制出抗咪唑啉酮类除草剂的水稻［145］和玉米［146］新种质。

基因编辑不仅能定向修饰单一基因/性状以快速改良现有品种，也能实现多重编辑从头驯化(denovodomestication)野生物种，即保留野生物种的抗逆性、遗传多样性的同时，定向改变其物候、产量和品质等性状，从而加速驯化并快速获得多种优良性状［147］。当前，研究人员已成功实现野生番茄(solanumpimpinellifolium)的快速驯化，在保留其耐盐碱和抗病性的同时，通过编辑控制番茄产量和品质的开花光周期敏感性、株型和果实同步成熟控制基因、果实大小控制基因和维生素C合成酶等基因［148-150］，有望创造新型的“超级”番茄。另外，四倍体野生稻(Oryzaalta)的驯化也具有很大潜力，因其生物量大，能够抵抗生物和非生物胁迫，通过编辑其控制株型、开花、产量等性状的基因，成功获得了落粒性降低、芒长株高缩短、抽穗时间提前的系列材料［151］。

与转基因作物类似，当前各国对基因编辑作物的生物安全法规尚未统一。除不含有外源基因、使用SDN-1(site-directed nuclease)类型编辑的作物得到相对普遍(包括美国、日本、澳大利亚等国)的认证外，利用外源模板引导DNA断裂修复的编辑技术(SDN-2和SDN-3)在多数国家仍受转基因法规监管［152］。2022年1月，中国农业农村部科技教育司印发了《农业用基因编辑植物安全评价指南》试行版，规定了无外源基因的基因编辑植物如不增加环境安全风险和食用安全风险，中间试验后可直接申请生产应用安全证书。这对未来生物育种产业必然起到巨大的推动促进作用。

3.3 植物病毒改造

植物病毒经改造后可在植物组织内复制、转移，通过瞬时表达重组蛋白或沉默植物内源基因以研究基因功能、改变植物性状。例如，大麦条纹花叶病毒(BSMV)是单链RNA病毒，已被广泛用于瞬时基因沉默(VIGS)试验研究大麦、小麦基因功能，研究人员明确了候选基因在根毛形成［153］、耐盐［96］、抗病［154］中的作用。BSMV系统经过设计也可以实现蛋白异源表达［154］，但通常只能驱动表达小于150个氨基酸的小蛋白，另外在敏感基因型中可能导致受体植株出现明显的萎黄、花叶现象而影响表型鉴定和基因功能分析［155］。在双子叶植物中，马铃薯病毒X(PVX)是正向单链RNA病毒，可侵染拟南芥、烟草、番茄、马铃薯等不同物种，曾被开发用于表达FT蛋白来调节烟草花期［156］和研究代谢途径、蛋白细胞定位等［155］。近来，PVX表达系统实现了瞬时调节上述双子叶作物的多种农艺性状，包括花期、春化条件、株高和耐旱性，并通过优化喷洒等转染方式可以被规模化应用，从而实现快速调节作物性状以获得抗逆性和环境适应性［5］。狐尾草花叶病毒(FoMV)与PVX性质类似，但可以侵染更广泛的宿主，包括56个禾本科物种和35个双子叶物种［157］，经改造，FoMV在玉米中可高效表达近600个氨基酸的蛋白，同时在小麦、玉米等多种谷物中诱导的背景表型比BSMV轻微［155］。除基因沉默和蛋白异源表达外，植物病毒目前也被成功应用于递送CRISPR/Cas9基因编辑元件，该系统相比组织培养方法更便捷省时，更重要的是避免了外源DNA与宿主基因组整合，从而在规避转基因监管上获得优势［158］。

常规育种聚合优势基因实现遗传改良耗时长、预见性差，利用植物病毒沉默或表达功能基因诱导并快速改变作物性状，在生产上能短期内保障作物生产、应对气候变化。但是，植物病毒在不同宿主(物种、基因型)内侵染效率不一，而且喷洒等方式对单子叶植物转染性有限。另外，VIGS因为不涉及蛋白表达和DNA转移，通常不受转基因法规监管，而利用病毒载体表达蛋白仍无明确的条文规范，这使得该技术的产业化应用具有不确定性。

4 结束语

人口增长、气候变化以及低碳减排的趋势对作物生产提质增效提出了新的挑战和要求。相对地，生物技术的发展为植物基因组功能解析、作物精准育种和农艺性状瞬时调控提供了重要技术支撑。多种技术相结合，能够在短期与中长期保障作物生产并应对气候变化。但是，以目的性状--功能基因--技术操纵的配套去调控作物生产，很大程度上依赖作物本身功能基因的解码，转化、编辑、瞬时表达技术体系的建立和效率的高低。因此，解决这些难题是推动技术应用和育种改良的关键。此外，各国对于转基因、基因编辑、植物病毒等各种生物技术的应用、约束和监管需要协商并形成共识，在基于生物安全评价的基础上，明确新作物、新品种在生产、贸易和食品加工各环节适用的法规，以推动新技术和新品种的规模化、商业化生产应用。