植物生物技術的快速發展深刻地影響著作物育種進程,并推動著新一輪的農業革命。

作物育種的基本原則是發現并選擇具有所需性狀的變種。雖然選擇相對容易,但發現所需要的卻更具挑戰性。傳統的馴化育種和作物改良徹底改變了農業生產和社會發展。但為了進一步探索農業的潛力,以養活日益增長的人口需求,需要開發作物的多樣性。近年來發展起來的基因編輯技術和RNA病毒轉染技術,使我們能夠高效和精確地進行基因工程育種,極大地擴展了變種的范圍,減少了我們對自然突變的依賴。

大多數農藝性狀是數量性狀,受多基因控制。在傳統的育種過程中,它們的改良需要經過多輪雜交,費時費力效率低下。其有效性依賴于現有的自然突變的多樣性,并受到有害突變的連鎖遺傳的影響。誘變育種是利用化學物質或輻射方法對種子進行誘變處理,這是一種針對性較低的方法,因為突變是發生在整個基因組水平上的,具有很強的隨機性。大多數突變會導致嚴重的生長缺陷,因此無法用于實際生產,這使得追蹤有益突變極為困難。

由于理想變異可利用性較低,導致雜交育種在很大程度上依賴于運氣。而轉基因育種的出現則打破了這一育種理念。轉基因育種可以將已知功能的外源基因插入作物基因組中,達到提高產量、抗性或營養價值的目的。這種策略使精準育種成為可能,但是它的相關產品,特別是作為糧食作物的轉基因生物,將受到嚴格的管理。因此,在某些國家只有少數轉基因生物能被商業化運用。

2017年,Zachary Lippman的實驗室利用CRISPR Cas編輯技術瞄準了發育相關基因的啟動子,在番茄中生成多個啟動子編輯的等位基因,并創造了一系列與產量相關性狀的突變體。并選擇MADS-box基因和CLAVATA WUSCHEL通路中的基因,這類基因控制著重要的產量性狀。在最新一期的《自然植物》雜志上,大衛.杰克遜的研究小組通過改造三個CLV基因,并對玉米應用了類似的策略。產生了弱啟動子編輯等位基因和無效等位基因,使編輯株系的籽粒產量發生了定量變化,其中一些品種的田間表現尤為突出。

這項工作表明,可以通過編輯發育調控基因來成功地設計數量性狀變異。盡管不能通過等位基因類型或轉錄變化來預測表型效應,但是可以實現細微的表型操縱,并且可以從所產生的性狀變異的連續性中獲得有利的變異。

除作物改良外,CRISPR-Cas技術還可用于從頭馴化或再馴化。這利用了馴化基因的知識和密切相關物種中的直系同源基因控制相同或相關表型的事實。在野生番茄、地面櫻桃和四倍體水稻中已經完成了對馴化基因或其同源物的編輯,從而成功地將野生物種轉化為類似栽培品種的植物。

CRISPR Cas育種比誘變育種更有效,可以定向改變我們重點關注的基因。此外,通過瞬時表達CRISPR蛋白或分離組成性表達的CRISPR,可以很容易地獲得無外源插入片段的植株。因此,基因編輯過的作物可以避免被轉基因作物種植監管。一些國家已經批準了小部分基因組編輯后的作物新品種。例如,美國農業部已經批準了70多種基因編輯過的作物,同樣在日本一種含有更高含量-氨基丁酸的基因編輯過的番茄最近也獲得批準。

要想通過基因編輯來釋放高水平的變異,目前的條件還不允許。需要對進化或發展中重要基因的關鍵調節子有更好的了解。解剖控制目標表型的基因網絡和影響基因表達的順式調控網絡也至關重要。最后,對于大多數物種,必須建立穩定有效的轉化和再生程序。

下一代作物工程的替代策略已經存在。RNA病毒轉染是一種噴霧技術,可以對農藝性狀進行短暫微調,正如Torti等人上月11日報道的在多個物種中實現的那樣。研究人員在多種激素通路中瞬時表達或沉默調節基因,以調節擬南芥、煙草、番茄、水稻、甘藍型油菜和大豆等物種的開花時間、高度和應激反應等性狀。由于RNA病毒不能跨代傳播,這種方法允許在不修改遺傳物質的情況下對性狀進行臨時的可塑性操作。

作物育種不再需要依賴自然發生的突變,而是人工產生的變異可以成為進一步育種的原料。更廣泛的表現型空間已經準備好去探索,允許發展最優的表現型以適應地球甚至太空的異質環境。一場由生物技術驅動的農業革命即將到來。