4月29日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所作物光合生理調(diào)控創(chuàng)新研究組應(yīng)邀在Cell Press旗下重要學(xué)術(shù)期刊《生物技術(shù)趨勢（Trends in Biotechnology）》發(fā)表前瞻性綜述文章，首次提出了整合理想株型（Architectype）和最佳生理型（Physiotype）的作物協(xié)同優(yōu)化新策略，旨在通過多學(xué)科交叉融合與精準(zhǔn)育種技術(shù)，打造高產(chǎn)、高效、廣適的現(xiàn)代作物品種，推動下一次綠色革命。
20世紀(jì)中葉，以半矮稈品種為代表的第一次綠色革命極大提升了全球糧食產(chǎn)量，顯著緩解了當(dāng)時的饑餓與糧食短缺危機(jī)。但近年來，氣候變化、資源緊張和農(nóng)業(yè)管理滯后使主要作物產(chǎn)量增速放緩，部分地區(qū)甚至連續(xù)減產(chǎn)。同時，傳統(tǒng)高投入農(nóng)業(yè)模式帶來的氮肥過量施用，也引發(fā)了土壤退化、水體污染等生態(tài)問題。如何在資源有限的前提下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
文章圍繞水稻、小麥、玉米和大豆四大主糧作物，系統(tǒng)闡述了適應(yīng)現(xiàn)代高密度種植與資源限制條件下的理想株型特征。例如，水稻應(yīng)具中等株高、適量分蘗、直立厚葉與發(fā)達(dá)根系；玉米則需智慧冠層結(jié)構(gòu)、低株高與強(qiáng)根系以適應(yīng)密植；小麥和大豆分別強(qiáng)調(diào)抗倒伏結(jié)構(gòu)與高效固氮系統(tǒng)。然而，單一的株型結(jié)構(gòu)改良尚不足以支撐未來農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展。為此，文章進(jìn)一步提出“最佳生理型”概念，通過調(diào)控關(guān)鍵代謝路徑與生理機(jī)制，系統(tǒng)提升光合效率、營養(yǎng)利用率及逆境適應(yīng)性，并強(qiáng)調(diào)作物“可塑性”在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)中的關(guān)鍵作用。
結(jié)合高通量組學(xué)、人工智能與基因編輯等前沿工具，研究團(tuán)隊(duì)提出“生理聚合”新策略，即系統(tǒng)聚合多個優(yōu)異生理機(jī)制相關(guān)基因，協(xié)同提升作物形態(tài)與功能。文章同時倡議啟動“作物種質(zhì)資源泛基因組計(jì)劃”和“作物表型組計(jì)劃”，建設(shè)農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，支撐AI驅(qū)動的作物設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)育種。未來，通過生理調(diào)控、結(jié)構(gòu)重塑與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)相融合，有望在不顯著增加資源投入的前提下，實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量提升30%、資源利用效率提升20%的戰(zhàn)略目標(biāo)，為保障全球糧食安全和推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。
作科所李霞副研究員、研究生解晨和程琳為該論文的共同第一作者，周文彬研究員為通訊作者。作科所錢前研究員、童紅寧研究員和德國馬普分子植物生理研究所Ralph Bock教授也參與了該項(xiàng)工作。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、“科技創(chuàng)新2030”—農(nóng)業(yè)生物育種重大項(xiàng)目、作物基因資源與育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779925001295
