中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操團(tuán)隊(duì)基于植物生理學(xué)經(jīng)典理論“源庫理論”即植物體內(nèi)光合產(chǎn)物從“源”器官向“庫”器官的運(yùn)輸與分配過程，發(fā)展出環(huán)境智能型高產(chǎn)-穩(wěn)產(chǎn)作物設(shè)計(jì)育種新策略（CROCS）。12月14日，相關(guān)研究成果以Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice為題，發(fā)表在《細(xì)胞》（Cell）上。這一成果是我國在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種核心技術(shù)方面取得的重要進(jìn)展。

該研究針對高溫逆境導(dǎo)致的番茄落花落果、品質(zhì)低下以及水稻禿尖、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，明確高溫致使番茄大幅減產(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)逆境抑制碳同化物從源器官到庫器官的分配，造成落花落果、果實(shí)大小不均一、糖度低等問題。研究發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶（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，導(dǎo)致落花落果，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。該團(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，將一個(gè)10 bp的熱響應(yīng)元件（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的敲入未改變LIN5的表達(dá)部位，并賦予其熱響應(yīng)上調(diào)表達(dá)的能力。碳同位素示蹤實(shí)驗(yàn)顯示，HSE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)庫暢流”的能力。

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)測試顯示，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%至47%；高溫逆境下，該方法培育的番茄種質(zhì)比對照增產(chǎn)26%至33%，可挽回高溫脅迫造成的56.4%至100%的產(chǎn)量損失，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。進(jìn)而，研究通過關(guān)鍵技術(shù)拓展，在水稻中測試CROCS育種策略在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種中的應(yīng)用潛力。多年多點(diǎn)水稻單產(chǎn)測試表明，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%至13%；高溫逆境下，HSE精準(zhǔn)敲入的水稻品種比對照增產(chǎn)25%，可挽回高溫脅迫造成的41%的稻米產(chǎn)量損失。

CROCS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)測產(chǎn)與性狀評價(jià)等方法在內(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，有望開啟環(huán)境智能型高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物設(shè)計(jì)新時(shí)代。同時(shí)，CROCS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，并為植物發(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。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

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