Plantarray植物逆境生理研究平臺：植物輔助育種研究

在理解植物生物學、新的遺傳資源、基因組改造和組學技術(shù)方面的進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，必須通過大規(guī)模實地評估，在反復試驗的基礎(chǔ)上，通過長期發(fā)展階段。因此，定量、客觀和自動篩選方法與決策算法相結(jié)合可能具有許多優(yōu)勢，能夠在早期階段快速篩選最有希望的作物品系，然后進行最終強制田間試驗。新型分子工具、篩選技術(shù)和經(jīng)濟評估的結(jié)合應該成為農(nóng)業(yè)植物生物技術(shù)革命的主要目標。

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)的進一步發(fā)展取決于各種科學投入的有效組合和應用（圖1），這些投入是進入生物技術(shù)處理漏斗的成分：細胞生物學、生物化學和代謝、各種組學、系統(tǒng)和合成生物學方法，以及其他技術(shù)（如組織培養(yǎng)、轉(zhuǎn)化、信息學）。植物生物學的其他主要成就是植物基因組工程的新方法。例如，細菌RNA導向的CRISPR–Cas9核酸內(nèi)切酶是真核生物中位點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突變的混淆問題，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。這種快速擴展的基因組工程工具包可以提供的對植物基因組遺傳信息的控制，對于闡明植物代謝、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）。基因發(fā)現(xiàn)整合了分子生物學和組學工具和程序，上圖所示。 接下來是概念驗證小組，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。通過發(fā)現(xiàn)和概念驗證階段的候選植物在整個篩選和發(fā)育階段接受若干額外的評估和評估步驟，選擇表現(xiàn)出良好耐逆性的品系，同時保持其他理想性狀，如產(chǎn)量（數(shù)量和質(zhì)量）、生長和發(fā)育。

今天的主要程序是使用傳統(tǒng)的、基于田間的選擇過程從數(shù)千種植物中選擇少數(shù)植物，這些過程需要整個季節(jié)和重復的大規(guī)模田間試驗。這個漫長的過程可能會持續(xù)數(shù)年并需要大量資源，從而限制了可以同時篩選的有希望的候選者的數(shù)量。我們設(shè)想開發(fā)一個高分辨率、高通量的診斷篩選平臺，用于研究全植物生理性能，作為表型篩選——“生理組學"（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進行篩選。表型篩選系統(tǒng)可以顯著加速開發(fā)過程，并允許在受控標準和壓力條件下連續(xù)測量作物行為，在溫室的早期階段消除那些不太可能在田間試驗中表現(xiàn)良好的候選者。表型分析過程的成本是一個重要問題；然而，這項技術(shù)正在迅速發(fā)展，目前還很難估計成本。

圖3.植物作為生物材料的工廠

植物以相對較低且廉價的投入產(chǎn)出50多萬種次級代謝物。新的基因發(fā)現(xiàn)和改進的代謝組學數(shù)據(jù)、植物工程程序和工業(yè)平臺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）。這些包括以下簡要提及的幾個主要類別，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)由于新的分子標記輔助作物育種和基因工程的實施而取得成果，但重要的是要將許多重大成就與幾個遺留問題區(qū)分開來，并指出未來的研發(fā)需求。在基因型水平上，基因組作圖和組學標記的使用帶來了令人印象深刻的進步，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，正在開發(fā)新的高通量選擇系統(tǒng)，以實現(xiàn)對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，同時考慮植物微生物組群，以在21世紀實現(xiàn)植物生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)的實質(zhì)性進展。