为大豆育种带来概念性突破，科学家研发大豆基因编辑技术，可同步提高大豆产量与蛋白含量

戴着草编帽子、汗水浸湿刘海、身旁是山脚下的豆田......

如果不是这副眼镜增加了几分书生气，似乎这看起来应该是一位农民大哥的田间记录照。但其实，这是一名科学家——来自广州大学的关跃峰教授。

图 | 关跃峰于 2023 年夏天在福建洋中的试验田（来源：关跃峰关跃）

此前，他和合作者在这片豆田忙活了整整三年，终于通过基因编辑技术成功优化了大豆的生物固氮能力，并将这项技术形象地比喻为“育种界的 5G”。

通过此，他们找到了既能多长根瘤、少施化肥、又能增加产量的方法，将大豆产量提升 10-20%，蛋白含量增加 1-2 个百分点，借此为大豆育种带来了概念性突破。

（来源：Nature Plants）

据介绍，基因编辑作物的应用完全遵照我国农业部 2022 年发布的《农业用基因编辑植物安全评价指南（试行）》规定。

相比转基因，基因编辑作物能够大大简化获取生物安全证书的程序，在时间流程上可以缩短 1-2 年。

目前，课题组正在东北、黄淮等主栽区域的大豆品种中开展基因编辑育种，希望能够提高国内大豆品种的单产水平、以及提高生物固氮的能力，减少农业化肥的使用。

未来，也可以将该技术转移到紫花苜蓿、花生等豆科作物中。

不过，需要注意的是，本次研究尚处于试验阶段，种植面积比较小，最大面积仅有 100 多平方米。因此，大面积种植时的增产效果还有待验证。

提升大豆产量重要性何在？

据介绍，我国每年消耗大豆的总量大约在 1.2 亿吨，平均每人每天要消耗半斤大豆，其中超过 80% 依靠进口。

进口大豆并不用于做豆腐豆浆，而是先榨油、剩下的豆粕做饲料。豆粕饲料是优质蛋白来源，对于肉蛋奶畜牧生产来说是必不可少的。

目前，中国人口占据世界人口的 19%，过去 40 年经济的高速发展，让老百姓实现肉蛋奶自由，而饲料的消耗也水涨船高。

我们国家的耕地资源有限，耕地仅占世界耕地的 8% 左右，这就需要通过进口粮食来弥补。

大豆之所以成为最主要的进口粮食，重要原因就是它单位面积的产量低，国内种植效益差。

比如，大豆每亩地产量仅为玉米的五分之一，收入约为玉米一半，因此农民更愿意种玉米，导致大豆种植就不足。

如能提高大豆产量和品质的生物育种技术，就能更快推广应用，帮助提高大豆单产水平和农民种植效益，也有助于提高大豆自给率。

将“诺奖技术”基因编辑成功用于大豆增产

在生物医药和生物育种领域，基因编辑是一项革命性技术。该技术于 2012 年问世，2020 年相关学者获得了诺贝尔奖。

一直以来，该课题组致力于针对大豆开发基因编辑育种技术，以及挖掘创新型基因编辑性状，旨在实现“高产优质、高附加值、环境友好”的基因编辑大豆育种。

具体到本次研究，他们聚焦于解决这样一个问题：即如何通过调控大豆结瘤固氮来提高大豆产量。

大豆能通过结瘤来固定空气氮素，是一种环境友好型作物。

然而，在传统育种经验之中，人们发现结瘤过多会减少产量，因此普遍忽视了针对大豆生物固氮开展遗传改良。

基于此，他们启动了本次结合室内试验和室外耕田的基因编辑育种研究。

其研究历程大致可以分为三个阶段：

首先，他们针对大豆开发了高效的基因编辑技术，从而能对目标基因进行编辑，这就像是造了一把锋利的“手术刀”。

自 2016 年起，课题组开始开始“磨刀”。“目前我们是全球大豆基因编辑领域技术最强的科研团队之一。”研究人员表示。

有了领先的技术做保障，他们就能根据自己想法做“基因手术”。

其次，则要筛选有价值的基因、并要开展基因编辑，拿到突变的大豆之后，就要对大豆的不同基因“动手术”。

自从该团队具备大豆基因编辑能力后，就一直在做这项工作，并积累了各种大豆突变体。

利用这些突变体他们开展了基因功能的基础研究，同时也在观察大豆的产量表现，从而判断它们的育种价值。

此前，虽然大家都知道大豆根瘤的生物固氮能减少化肥使用，对环境也比较友好，但是人们过去并不太希望增加大豆根瘤。因为根瘤会消耗碳源，而且根瘤太多会减少大豆产量。

因此，课题组设想：如能适当增加一些根瘤，但又不至于增加太多，可能会有比较好的效果。

经过不同基因组合的筛选，他们发现上述方法果然能增加产量。

而当采用 RIC 基因编辑组合的时候，其根瘤仅有适度的增加，从而能在碳氮平衡的基础之上实现优质增产。

随后，他们筛选和评价了不同基因编辑大豆的产量表现。并针对它的生理特性加以分析，比如为何能增产？

“这一步骤就好比针对‘手术预后’开展跟踪评价一样。”研究人员表示。

但是，仅仅是这一步骤就耗时了三年之久。期间，他们每年都在实验田里测试大豆产量表现。

结果也很令人惊喜：RIC 基因编辑不仅可以增加产量，还能提高蛋白质含量。

“其实这在大豆育种中是很困难的事，因为从过去的育种经验来看，增加产量往往会降低蛋白质，反之亦然。美国甚至有新闻认为‘高产高蛋白大豆是育种的圣杯，但短期不大可能实现’。”研究人员表示。

而该团队通过优化地下的根瘤数量，成功提高了大豆的种子产量和蛋白质含量。

日前，相关论文以《基因优化大豆结瘤提高产量和蛋白质含量》（Genetically optimizing soybean nodulation improves yield and protein content）为题发在 Nature Plants（IF 18）。

福建农林大学钟祥斌副教授、王杰副教授是共同一作，广州大学的关跃峰教授和孔凡江教授、以及中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Plants）

科学家版本的“草盛豆苗稀”

不过，关跃峰坦言：“我是做分子生物学出身，做大豆育种属于半路出家。我们在实验室里虽然得心应手，但下田干活就是小白了。”

刚开始在大田里种植大豆时，田间管理不到位，杂草比大豆还茂密。由于过了除草剂喷施的窗口期，只能人工除草。

于是实验室全员集体出动，大家一起在田间除草，真实上演“锄禾日当午，汗滴禾下土”。后来，“种好田”也成为实验室的重点工作之一。

“这个经历让我对农业之难有了更直观的认识，也开始理解提高农业劳动效率和降低种植成本对于农业的重要性。”关跃峰说。

比如对于生物育种来说，仅仅提高大豆产量还远远不够，还需要围绕抗除草剂、抗病虫害等性状，才能满足现代种植的需求。

接下来，课题组首先将针对 RIC 基因编辑技术开展更大规模的育种应用，争取早日实现推广。

其次他们将挖掘增产效果更好的基因组合，让技术变得更加完善。

另外，他们将利用多重基因编辑技术，把优化结瘤 RIC 基因与其他高产优质基因编辑性状聚合在一起，力争创制产量更高、品质更好的“超级大豆”。

参考资料：

1.Zhong, X., Wang, J., Shi, X.et al. Genetically optimizing soybean nodulation improves yield and protein content. Nat. Plants 10, 736–742 (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-024-01696-x

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