近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操团队发布了“环境智能型高产-稳产作物设计育种新策略CROCS (Climate-responsive optimization of carbon partitioning to sinks)”，该项研究进展于北京时间2024年12月14日在国际顶尖杂志Cell发表，题为“Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”。这是我国在高产稳产作物育种核心技术上取得的重大突破。
该研究基于植物生理学经典理论-源库理论，即植物体内光合产物（如碳同化物蔗糖）从“源”器官（如叶片）向“库”器官（如根、茎、果实、种子等）的运输与分配过程。源库理论是作物生产实践和作物育种的百年经典指导理论，“增源、扩库、畅流”一直是作物栽培和作物育种中实现高产稳产的根本。
图1：CROCS环境智能高产稳产设计育种示意图
许操研究员带领的智能设计育种科技攻关团队针对高温逆境导致的番茄落花落果、品质低下，水稻秃尖、瘪壳等引起主要粮食和蔬菜作物大幅减产的农业生产实际问题，首先明确了高温导致番茄大幅减产、果实品质低下的植物生理学基础，即高温等农业逆境会抑制碳同化物从源器官到库器官的分配，造成落花落果、果实大小不均一、糖度低等。进一步研究发现造成这一现象的主要原因是细胞壁蔗糖转化酶（Cell wall invertase, CWIN）的表达被抑制，使得叶片运输来的光合碳同化物蔗糖无法有效地转化为葡萄糖和果糖以供应果实发育，造成落花落果，品质低下。如何将作物的碳同化物分配机制与抗逆“超敏反应”解耦联，使之具备感应环境变化自动优化分配的能力，是创制顺境高产、逆境稳产的环境智能型作物的关键。许操团队突破了高效基因敲入技术难题，自主改造了引导编辑器（Prime editing），将一个10 bp的热响应元件（heat-shock element,
HSE）精准敲入番茄内源细胞壁蔗糖转化酶CWIN基因LIN5的启动子靶向区。HSE的敲入并未改变LIN5的表达部位，而且赋予了其热响应上调表达的能力。碳同位素示踪实验表明，HSE的精准敲入增强了正常条件下糖分向果实的运输，显著缓解了高温条件下果实的“糖饥饿”，使番茄获得了感应温度变化自动“扩库畅流”的能力。
在温室、大棚、大田等不同栽培模式条件下的多年多点单产测试发现，正常农业生产条件下，该方法可使番茄产量提高14-47%；高温逆境下，该方法培育的番茄种质比对照增产26-33%，可挽回高温胁迫造成的56.4%-100%的产量损失，而且改良后的番茄果实均一度、糖度等品质性状在相应条件下显著提高。通过关键技术拓展，研究团队进一步在水稻中测试CROCS育种策略在高产稳产育种中的应用潜力。经过多年多点水稻单产测试表明，正常农业生产条件下，该方法可使水稻产量提高7-13%，高温逆境下，HSE精准敲入的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。
许操团队发布的CROCS环境智能育种全新策略建立了包括顺式调控元件筛选、靶向位点选择、瞬时表达验证、基因编辑器改造、种质测产与性状评价等一系列方法在内的不同作物通用的高产稳产快速育种技术体系，首次在主要粮食和蔬菜作物中同时实现了“顺境增产，逆境稳产”环境智能型作物种质的快速创制，开启了环境智能型(Climate-smart)高产稳产作物设计的新时代。
过去几十年的生命科学基础研究已经鉴定出许多响应生物与非生物胁迫、养分吸收与利用以及共生微生物的顺式调控元件。这些顺式调控元件能够响应多种胁迫，如高温、低温、干旱、盐碱、光照、病原体侵害以及养分缺乏等。该系统为精准敲入环境感应分子开关，培育顺境高产逆境稳产的气候韧性作物铺平了道路，同时也为植物发育环境适应机制的基础研究提供了高效的基因编辑工具和可行的技术体系。
图2：环境智能设计育种快速创制高产稳产番茄和水稻种质
中国科学院遗传发育所许操研究员为该文章的通讯作者，博士研究生娄焕昌为文章的第一作者，助理研究员黎舒佳为文章的共同第一作者，研究得到了李家洋院士、黄学辉教授、何祖华院士的指导和大力支持。中国科学院遗传发育所刘贵富研究员、荆彦辉博士、陈明江博士、牟金叶博士和中国科学院生物物理研究所张洪杰博士对本研究提供了大力支持。该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院先导专项等项目的资助。
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