近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操團(tuán)隊(duì)發(fā)布了“環(huán)境智能型高產(chǎn)-穩(wěn)產(chǎn)作物設(shè)計(jì)育種新策略CROCS?（Climate-responsive optimization of carbon partitioning to sinks）”，該項(xiàng)研究進(jìn)展于北京時(shí)間2024年12月14日在國(guó)際頂尖雜志Cell在線發(fā)表，題為“Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”。這是我國(guó)在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種核心技術(shù)上取得的重大突破。

該研究基于植物生理學(xué)經(jīng)典理論-源庫(kù)理論，即植物體內(nèi)光合產(chǎn)物（如碳同化物蔗糖）從“源”器官（如葉片）向“庫(kù)”器官（如根、莖、果實(shí)、種子等）的運(yùn)輸與分配過程。源庫(kù)理論是作物生產(chǎn)實(shí)踐和作物育種的百年經(jīng)典指導(dǎo)理論，“增源、擴(kuò)庫(kù)、暢流”一直是作物栽培和作物育種中實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的根本。

許操研究員帶領(lǐng)的智能設(shè)計(jì)育種科技攻關(guān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)高溫逆境導(dǎo)致的番茄落花落果、品質(zhì)低下，水稻禿尖、癟殼等引起主要糧食和蔬菜作物大幅減產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問題，首先明確了高溫導(dǎo)致番茄大幅減產(chǎn)、果實(shí)品質(zhì)低下的植物生理學(xué)基礎(chǔ)，即高溫等農(nóng)業(yè)逆境會(huì)抑制碳同化物從源器官到庫(kù)器官的分配，造成落花落果、果實(shí)大小不均一、糖度低等。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)造成這一現(xiàn)象的主要原因是細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶（Cell wall invertase ，CWIN）的表達(dá)被抑制，使得葉片運(yùn)輸來的光合碳同化物蔗糖無法有效地轉(zhuǎn)化為葡萄糖和果糖以供應(yīng)果實(shí)發(fā)育，造成落花落果，品質(zhì)低下。如何將作物的碳同化物分配機(jī)制與抗逆“超敏反應(yīng)”解耦聯(lián)，使之具備感應(yīng)環(huán)境變化自動(dòng)優(yōu)化分配的能力，是創(chuàng)制順境高產(chǎn)、逆境穩(wěn)產(chǎn)的環(huán)境智能型作物的關(guān)鍵。許操團(tuán)隊(duì)突破了高效基因敲入技術(shù)難題，自主改造了引導(dǎo)編輯器（Prime editing），將一個(gè)10 bp的熱響應(yīng)元件（heat-shock element ，HSE）精準(zhǔn)敲入番茄內(nèi)源細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶CWIN基因LIN5的啟動(dòng)子靶向區(qū)。HSE的敲入并未改變LIN5的表達(dá)部位，而且賦予了其熱響應(yīng)上調(diào)表達(dá)的能力。碳同位素示蹤實(shí)驗(yàn)表明，HSE的精準(zhǔn)敲入增強(qiáng)了正常條件下糖分向果實(shí)的運(yùn)輸，顯著緩解了高溫條件下果實(shí)的“糖饑餓”，使番茄獲得了感應(yīng)溫度變化自動(dòng)“擴(kuò)庫(kù)暢流”的能力。

在溫室、大棚、大田等不同栽培模式條件下的多年多點(diǎn)單產(chǎn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，該方法可使番茄產(chǎn)量提高14-47%；高溫逆境下，該方法培育的番茄種質(zhì)比對(duì)照增產(chǎn)26-33%，可挽回高溫脅迫造成的56.4%-100%的產(chǎn)量損失，而且改良后的番茄果實(shí)均一度、糖度等品質(zhì)性狀在相應(yīng)條件下顯著提高。通過關(guān)鍵技術(shù)拓展，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在水稻中測(cè)試CROCS育種策略在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種中的應(yīng)用潛力。經(jīng)過多年多點(diǎn)水稻單產(chǎn)測(cè)試表明，正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，該方法可使水稻產(chǎn)量提高7-13%，高溫逆境下，HSE精準(zhǔn)敲入的水稻品種比對(duì)照增產(chǎn)25%，可挽回高溫脅迫造成的41%的稻米產(chǎn)量損失。

許操團(tuán)隊(duì)發(fā)布的CROCS環(huán)境智能育種全新策略建立了包括順式調(diào)控元件篩選、靶向位點(diǎn)選擇、瞬時(shí)表達(dá)驗(yàn)證、基因編輯器改造、種質(zhì)測(cè)產(chǎn)與性狀評(píng)價(jià)等一系列方法在內(nèi)的不同作物通用的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)快速育種技術(shù)體系，首次在主要糧食和蔬菜作物中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“順境增產(chǎn)，逆境穩(wěn)產(chǎn)”環(huán)境智能型作物種質(zhì)的快速創(chuàng)制，開啟了環(huán)境智能型（Climate-smart）高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物設(shè)計(jì)的新時(shí)代。

過去幾十年的生命科學(xué)基礎(chǔ)研究已經(jīng)鑒定出許多響應(yīng)生物與非生物脅迫、養(yǎng)分吸收與利用以及共生微生物的順式調(diào)控元件。這些順式調(diào)控元件能夠響應(yīng)多種脅迫，如高溫、低溫、干旱、鹽堿、光照、病原體侵害以及養(yǎng)分缺乏等。該系統(tǒng)為精準(zhǔn)敲入環(huán)境感應(yīng)分子開關(guān)，培育順境高產(chǎn)逆境穩(wěn)產(chǎn)的氣候韌性作物鋪平了道路，同時(shí)也為植物發(fā)育環(huán)境適應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)研究提供了高效的基因編輯工具和可行的技術(shù)體系。

該研究得到了中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)與交叉前沿科研先導(dǎo)專項(xiàng)“作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)樞紐基因的挖掘利用”等項(xiàng)目的資助。