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Plantarray植物逆境生理研究平台:植物辅助育种研究

发布时间:2022-05-17 点击量:94

在理解植物生物学、新的遗传资源、基因组改造和组学技术方面的进步为在不断变化的环境条件下的食品安全和新型生物材料生产提供了新的解决方案。新的基因和种质候选者有望在压力下提高作物产量和其他植物性状,必须通过大规模实地评估,在反复试验的基础上,通过长期发展阶段。因此,定量、客观和自动筛选方法与决策算法相结合可能具有许多优势,能够在早期阶段快速筛选最有希望的作物品系,然后进行最终强制田间试验。新型分子工具、筛选技术和经济评估的结合应该成为农业植物生物技术革命的主要目标。

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图1.农业生物技术加工和筛选漏斗

植物生物技术和农业的进一步发展取决于各种科学投入的有效组合和应用(图1),这些投入是进入生物技术处理漏斗的成分:细胞生物学、生物化学和代谢、各种组学、系统和合成生物学方法,以及其他技术(如组织培养、转化、信息学)。植物生物学的其他主要成就是植物基因组工程的新方法。例如,细菌RNA导向的CRISPR–Cas9核酸内切酶是真核生物中位点特异性基因组修饰的通用工具。该方法适用于任何模式生物的基因组编辑,并最大限度地减少非靶点突变的混淆问题,除其他新技术外,有望成为等位基因修饰、基因置换、蛋白质组结构表征和翻译后修饰的方法。这种快速扩展的基因组工程工具包可以提供的对植物基因组遗传信息的控制,对于阐明植物代谢、生理和形态特征,从而更好地控制和修改生物结构和功能非常重要。

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图2.缩小基因型-表型差距

田间表型分析可以增加高潜力候选作物的比例和数量,从而节省时间和金钱,缩小基因型-表型差距,是主要的农业技术愿景之一(图2)。基因发现整合了分子生物学和组学工具和程序,上图所示。 接下来是概念验证小组,其中包括基因转移阶段和各种组织培养操作。 转化植株的早期发育发生在离体植株再生之后,产生各种性状的候选植株。通过发现和概念验证阶段的候选植物在整个筛选和发育阶段接受若干额外的评估和评估步骤,选择表现出良好耐逆性的品系,同时保持其他理想性状,如产量(数量和质量)、生长和发育。

今天的主要程序是使用传统的、基于田间的选择过程从数千种植物中选择少数植物,这些过程需要整个季节和重复的大规模田间试验。这个漫长的过程可能会持续数年并需要大量资源,从而限制了可以同时筛选的有希望的候选者的数量。我们设想开发一个高分辨率、高通量的诊断筛选平台,用于研究全植物生理性能,作为表型筛选——“生理组学"(图2)——从而弥合现有的基因型 - 表型差距。数百种承受多种压力条件组合的植物可以在其生命周期的特定阶段同时进行筛选。表型筛选系统可以显着加速开发过程,并允许在受控标准和压力条件下连续测量作物行为,在温室的早期阶段消除那些不太可能在田间试验中表现良好的候选者。表型分析过程的成本是一个重要问题;然而,这项技术正在迅速发展,目前还很难估计成本。

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图3.植物作为生物材料的工厂

植物以相对较低且廉价的投入产出50多万种次级代谢物。新的基因发现和改进的代谢组学数据、植物工程程序和工业平台的可用性不仅可以提高食品和传统植物衍生产品(如纤维和软木塞)的产量,还可以提高新型非植物化合物的产量(图3)。这些包括以下简要提及的几个主要类别,其中一些是潜在的有吸引力的石化材料替代品,可以在转基因植物中生产。

虽然植物农业生物技术由于新的分子标记辅助作物育种和基因工程的实施而取得成果,但重要的是要将许多重大成就与几个遗留问题区分开来,并指出未来的研发需求。在基因型水平上,基因组作图和组学标记的使用带来了令人印象深刻的进步,并成为几种田间、园艺和森林植物育种的常规。在表型水平上,改良的农业技术(如精准农业)正在不断发展,从而提高了农业、园艺和林业的产量和品质性状。此外,正在开发新的高通量选择系统,以实现对特定性状的快速田间前筛选,并可能最终成为常规。因此,我们敦促采用系统生物农业综合方法,同时考虑植物微生物组群,以在21世纪实现植物生物技术和农业的实质性进展。

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