给作物装上“环境智能”开关

来源：中国科学报

辛辛苦苦一季度，改良的品种竟被老鼠吃了。

2023年5月，中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）博士生娄焕昌在海南对其团队开发的“环境智能”基因编辑水稻进行小区测产。看着被老鼠啃得光秃秃的稻秆，蹲在田里的娄焕昌欲哭无泪。

从最初构思“环境智能”设计育种路线，到开发基因编辑工具，再到经过无数次摸索将基因片段精准敲入、建立育种技术体系，并在田间筛选出纯合品种，这项研究他们已经开展了3年多。

正当大家满怀期待时，娄焕昌不得不硬着头皮向导师许操汇报——这次试验“砸了”。出乎意料的是，导师非但没责备他，反而安慰他“这是好事”。

“老鼠爱大米，它们比我们看得准。你看，它们只吃改良品种，说明这些稻米确实饱满。” 遗传发育所研究员许操说。

经过5年研究、测产，研究表明，许操团队提出的“环境智能”作物设计育种策略行得通——既能在顺境中实现高产，又能在逆境中保持稳产。

12月14日，相关成果发表于《细胞》。审稿人表示，该研究为解决全球变暖引发的粮食安全问题提供了行之有效且前景广阔的育种策略。

巧妙育种，让植物更“皮实”

2020年一次课题组组会上，许操和团队成员想通过“头脑风暴”凝练出一个“大科学问题”——既具有前沿探索价值，也贴合国家重大需求，同时又挑战世界生物育种科技制高点。

他们将目光迅速锁定在应对气候变化对农业带来的严峻挑战上。

随着全球气候变化的加剧，农业灾害频发、作物大幅减产。许操查阅相关数据发现，仅在2023年，我国农作物受灾面积就达到1.58亿亩，产量损失超过1000亿斤，直接经济损失3454.5亿元。

即便在农业设施相对完善的发达国家，因气候变化导致的农业减产也平均达到8%~10%。若以此推算，全球主要农作物一年的保守减产量可达2万亿斤，这无疑为解决全球饥饿问题增添了重重困难。

如何应对这一严峻挑战？许操认为：“要让植物变得更加‘皮实’，对气候环境变化更有韧性，进一步打破现有单产提升的瓶颈。”

但这在实际农业生产中并非易事。为适应环境变化，高等植物进化出一套十分灵敏的“生存-防御”策略。在遭遇高温逆境时，它们会调整营养分配策略，节省能量，减少果实营养供给，只保障少数种子存活用以繁衍后代，从而导致大部分果实发育不良、产量下降。这会造成番茄等果蔬植物落花落果、果实大小不均、糖度低，也会让水稻、小麦、玉米、大豆等谷物出现瘪壳、秃尖、空荚等现象。

这些现象正是百年经典理论——“源-库”理论中的典型问题。“源-库”即植物体内光合产物从叶片等“源”器官向根、茎、果实、种子等“库”器官运输与分配的过程，也被称为“源-库-流”。这一过程除了具有科学意义，还蕴藏着让作物增产的巨大潜力。事实上，仅与植物“源”器官中光合作用相关的研究，就已催生了6项诺贝尔奖。

如何通过人工设计让“源-库-流”释放增产潜力？许操团队提出“环境智能”设计育种策略，确立了“顺境增产、逆境稳产”的攻坚目标。他们深入研究了“源-库-流”中的关键枢纽基因——细胞壁蔗糖转化酶（CWIN），该基因可将光合作用产生的蔗糖转化为葡萄糖和果糖以帮助果实发育。他们还建立了一套高效的植物引导编辑技术体系，给细胞壁蔗糖转化酶安装了一个“温度感应器”——热响应元件（HSE）。这一创新设计使得作物能够自主感应温度变化，并根据环境条件灵活调控体内营养物质的分配，实现“按需分配，精准递送”。

“过去，一旦植物遭遇逆境，细胞壁蔗糖转化酶的活性就会被抑制，不能有效‘卸载’和‘转运’蔗糖，果实和种子就会缺乏必要的营养。”许操说，“而现在，我们的作物能够通过温度感应器自主判断环境条件，在顺境时向果实多运输营养并进行储存，实现高产；在逆境时则上调细胞壁转化酶的表达，缓解果实的‘糖饥饿’状态，保证果实的稳产和品质。”

中国科学院院士、清华大学教授谢道昕评价称，许操团队采取了一种非常巧妙的育种策略，解决了高温导致的“流”滞、“库”亏问题，对未来作物的智能分子设计育种具有开创意义。

打通“关卡”，实现增产

打通“环境智能”设计育种的技术“关卡”后，许操团队培育出“T0代”（初代基因编辑）材料。接下来，改良种质的田间测产成为他们的新战场。

为了模拟真实农业灾害环境，研究团队除了在自然条件下按照时令或延后时令进行田间试验外，还采用温室大棚、“棚中棚”等不同栽培模式模拟不同的温度条件。“七八月份，我们在温室中设立的‘棚中棚’，日平均温度可达45摄氏度，这样可以更好地评估改良后的番茄在开花、结果时遭遇真实逆境时的产量。”娄焕昌对《中国科学报》说。

在田间工作期间，娄焕昌还掌握了“搭棚技能”。一开始因为缺乏经验，他搭的平顶棚总被雨水压坏。他又改用“屋脊”状的高棚顶，但没料到棚顶风阻太大，棚经常被风吹倒。于是，他向附近的农民“取经”，将棚顶改造成拱形顶，终于让它们经得起风吹雨打。

遗传发育所助理研究员黎舒佳告诉记者，她曾在许操建议下向农民学习“打叉”，控制番茄的侧枝生长。“在实验室中，我们通常在侧枝长到5厘米时就剪掉。但在实际生产中，打叉的时间和方法对产量的影响要复杂得多。比如，夏季打叉的时间要稍晚一些，以控制植物生长过旺；冬季打叉则要及时，以避免有限的光合作用产生的营养被侧枝分走。”

“没有地气的农业科技研究就像没有锅气的菜肴，味儿不足。”许操说。

一个个看微似不足道的经验积累，极大磨砺了团队成员的意志。他们从北京到海南跨越数千公里，连续4年一茬茬地进行测产试验。正如《细胞》审稿人所说，他们的努力取得了“令人兴奋”的成功。

研究团队发现，顺境条件下，植入温度感应器的番茄产量提高了14%~47%；高温逆境下，改良后的种质更是比对照增产26%~33%，可挽回高温胁迫造成的56.4%~100%的产量损失。出乎意料的是，新技术还解决了一串果实从近到远大小不一、糖分口感不均的问题。

“我们的碳同位素示踪实验表明，温度感应器的精准敲入保证了糖分向果实的运输，使改良后的番茄果实在均匀度和糖度等品质性状上都有了显著提升。”黎舒佳说。

通过关键技术拓展，研究团队进一步发现，顺境条件下，该方法可使水稻产量提高7%~13%；高温逆境下，突变后水稻品种比对照增产25%，可挽回高温胁迫造成的41%的稻米产量损失。

“我们选取的枢纽基因和热响应元件在植物里都是通用的，希望建立一套通用的育种技术，让主粮、蔬菜、经济作物都能够旱涝保收。”许操说，除了高温逆境育种，该团队还在开展光照、水分等“环境智能”作物育种，以期为保障我国粮食安全提供新的育种策略。

守正创新，开启智能育种新时代

在许操看来，当前我国番茄产业尽管年产值已达1800亿元，但仍大而不强，品种够用但不够好，种子不如发达国家高产、稳产、好吃。

“我国一粒番茄种子的价格约为0.5至1元，而高端、好吃的番茄种子价格一粒高于20元，按重量算的话，价格比黄金还贵。我国85%的高端番茄种子需要依赖进口。”许操说，“2020年相关统计数据表明，我国每平方米番茄的平均产量为5.9千克，而荷兰平均为50.7千克。2022年，荷兰在引入人工智能、数字孪生技术后，每平方米番茄产量甚至可达121千克。”

“很多人说我们的番茄产量够高了，其实还远远不够。我国为什么要推动‘蔬菜进棚果树上山’？归根到底是要拓展种植空间，尽量不与主粮争土地。如果我们突破育种关键核心技术，进一步大幅提高产量和品质，就能节省大量土地。”许操补充说。

目前，许操团队已经收集了2000多种番茄种质资源，他们正围绕从头驯化、环境智能育种、机器人育种3个关键技术领域开展智能设计育种攻关，以期培育出好吃、抗逆、营养保健的高产新品种。同时，研究团队培育的若干番茄新种质，已经在成果转化的路上。(冯丽妃)