专家点评Cell | 中科院遗传发育所许操团队开创环境智能高产稳产作物育种新策略

粮食安全事关国家安全。当前世界粮食安全形势依然严峻，联合国多家机构联合发布的2024年《世界粮食安全和营养状况》报告显示，2023年，全球约有7.33亿人面临饥饿；在世界粮食计划署开展行动的71个国家中，有3.09亿人面临突发性粮食不安全状况【1】。全球气候变化导致农业灾害频发，尤其是高温热浪造成农作物大幅减产，进一步加剧了粮食安全风险。据测算，在现有粮食生产技术水平下，平均气温比工业革命前每上升1摄氏度，粮食产量平均下降6%至8%。国家统计数据显示，2023年，我国农作物受灾面积约1.58亿亩，产量损失达1000亿斤以上。因此，亟需创新育种策略，突破作物单产提升瓶颈，培育“顺境高产逆境稳产”的环境智能型作物（Climate-smart crops）。

12月14日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员带领的科研团队在Cell上发表了题为“Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”的研究论文。该研究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，创建了环境智能高产稳产育种技术，创制了顺境高产逆境稳产的作物新种质。

Mason 和 Maskell于1928年提出的源库理论（Source-sink relations）是植物光合作物产物分配和作物产量形成的生理学基础【2】，它是指植物体内光合产物（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，而负责碳同化物运输的输导系统及其运转速率被称为“流”。“源-库-流”互相依存又存在反馈调节，作物源库关系不畅会导致碳同化物分配“内卷”，果实和种子产量与品质低下。“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。实际生产中，作物周围的温度是实时变化的，如果能给作物源库关系调控的关键枢纽基因安装一个温度感应器，赋予其实时感应温度变化自动优化源库分配的能力，将有望在不额外增加农业资源投入的情况下，打破碳同化物分配“内卷”，突破单产提升瓶颈，创制顺境高产逆境稳产的环境智能型作物。

许操团队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）基因的表达被抑制，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。这主要是植物在适应自然环境时的一种“选择性放弃”策略，本质上是“生存-防御”的权衡，不幸的是这种“习惯”在作物驯化过程中被保留了下来，但在现代农业生产系统中，作物的源库调控对于环境变化过于敏感会导致大幅减产【3】。因此，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。

为此，许操团队提出了CROCS（Climate-responsive optimization of carbon partitioning to sinks）环境智能育种策略。他们使用自主改造的高效基因敲入引导编辑器（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下多年多点的单产测试表明，正常农业生产条件下，LIN5精准编辑的番茄果实单产提高了14-47%；而在高温胁迫下，单产比对照提高了26-33%，可以挽回高温逆境导致的56.4-100%产量损失。

图1：CROCS环境智能高产稳产设计育种示意图

该研究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环境智能育种技术体系，并将该方法应用于水稻。研究团队改造了一套适用于单子叶植物基因敲入的引导编辑系统，并将HSE精准敲入水稻CWIN基因GIF1的启动子靶向区域。多年多点单产测试表明，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。

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

审稿人认为“这项研究结果令人振奋，具有毋庸置疑的科学意义和实用价值，为解决全球变暖引发的粮食安全问题提供了行之有效且前景广阔的育种策略”。该研究开创了环境智能作物设计育种新策略，建立了适用于不同作物的高产稳快速精准设计育种核心技术新体系，为突破作物单产提升瓶颈，抢占农业生物育种科技制高点，保障我国粮食安全提供了全新育种策略。

生命科学基础研究已经鉴定出许多响应非生物胁迫、生物胁迫、养分吸收与利用等多种不同的顺式调控元件，该研究为精准敲入环境响应顺式调控元件，培育顺境高产逆境稳产的环境智能作物提供了具有普遍适用性的高效的可行性方案。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。据悉，许操团队已经将该策略应用于大豆、小麦和玉米等主要作物，有望快速创制顺境高产、逆境稳产的环境智能型新种质。

中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员为该论文的通讯作者，博士研究生娄焕昌为论文的第一作者，助理研究员黎舒佳为论文的共同第一作者，该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。中国科学院遗传与发育生物学研究所刘贵富研究员、荆彦辉博士、陈明江博士、牟金叶博士和中科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和中国科学院的资助。

参考文献

1. 高雅丽(2024). 中国工程院院士孙其信：我们正在见证一场农业科技革命. 中国科学报.

2. Mason, T.G., and Maskell, E.J. (1928). Studies on the transport of carbohydrates in the cotton plant: II. the factors determining the rate and the direction of movement of sugars1. Ann. Bot. os-42, 571-636.

3. Shen, S., Ma, S., Wu, L., Zhou, S.-L., and Ruan, Y.-L. (2023). Winners take all: competition for carbon resource determines grain fate. Trends Plant Sci. 28, 893-901

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.005

专家点评

种康（中国科学院院士、中国科学院植物所 研究员 ）

全球气候变化导致农业灾害频发，尤其是高温热浪造成农作物大幅减产且品质低下。2023年我国农作物受灾面积已达1.58亿亩，产量损失达1000亿斤以上。快速培育”顺境高产逆境稳产”的环境智能型作物品种是突破单产提升瓶颈，减少农业灾害损失的根本方法，然而，这在实际农业生产中并非易事。高等植物固着生长，不能通过逃跑避险，需要时刻在生长与抗逆之间做出权衡与决策。高温逆境下水稻、小麦、玉米等粮食作物出现的秃尖、籽粒空瘪现象以及番茄等蔬菜作物出现的落花落果、空心果等，都是植物生长-抗逆失衡的表现。如何让作物“智能”地感知环境变化，自动优化生长-抗逆平衡是实现作物顺境高产、逆境稳产的关键，也是作物分子设计育种的一大难点。

许操研究员带领的科研团队在这方面取得了突破。他们发现，高温逆境使得光合产物（碳同化物，如蔗糖）不能有效地运送到番茄果实，导致落花落果，大幅减产。进一步研究发现，高温抑制番茄细胞壁蔗糖转化酶（CWIN）的表达，从源器官-叶片运送来的蔗糖等光合碳同化物无法有效地在库器官-果实中被卸载并转化为可供果实发育所需的葡萄糖和果糖，造成果实“糖饥饿”而落花落果且品质低下。为了打破逆境导致的碳同化物分配抑制，研究团队自主改造了高效基因敲入引导编辑器（Prime editing），将在植物体内广泛存在热响应元件（Heat shock elements，HSE）精准敲入CWIN启动子区，在不改变其表达部位的前提下，赋予了CWIN基因自动响应温度变化提高碳同化物朝果实分配的能力。通过这一精妙的分子设计，番茄在正常农业生产条件下果实产量大幅提高，而在高温逆境条件下可挽回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。鉴于细胞壁蔗糖转化酶在高等植物中高度保守，研究人员又自主改造了一套适用于单子叶植物的引导编辑器，将HSE精准敲入水稻CWIN基因启动子靶向区，同样使之获得了感应温度自动提高表达的能力，该方法可使水稻在正常条件下增产7%-13%，高温逆境下能挽回41%的稻米产量损失。

作物整个生命周期均伴随着生长-抗逆的权衡与决策。该研究的巧妙之处在于给发挥作物“决策中枢”作用的枢纽基因（源库关系调控基因）植入了环境响应分子开关，使光合产物的分配获得了环境“导航”，这一研究思路具有重要的开创意义和广阔的应用前景。除了响应温度的顺式调控元件，植物体内还广泛存在干旱、洪涝、病害、营养、光照等多种不同的顺式响应元件。该研究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，开辟了环境智能型高产稳产作物育种新路径，为突破作物高产稳产育种瓶颈，保障粮食安全提供了全新育种策略。

专家点评

谢道昕（中国科学院院士、清华大学 教授）

“源-库”关系是百年来植物学领域关注的亘古话题，也是植物学极具挑战性的重要研究领域。针对植物生长发育过程中光合作用产物生产、分配、以及转化等规律，Mason和Maskell在1928年首次提出“源-库”理论。源器官（如植物叶片）通过光合作用产生大量的碳同化物（如蔗糖），库器官（包括根、茎、果实、种子、棉纤维、块茎）则储存或消耗碳同化物、为人类提供必需的食物和生活物资，“流”是指从“源”到“库”的物质转运过程。过去的研究已经揭示了许多与植物“源-库”理论相关的重大科学规律，仅与植物“源”器官中光合作用相关的研究就已经产生了6项诺贝尔奖成果。研究“源-库”关系不仅具有重要科学意义，而且具有重大应用价值，对作物进行源库协同改良、通过“增源、扩库、畅流”有望释放40%-60%的增产潜力。

许操研究员带领的研究团队最近在源库关系理性设计方面取得重大突破性进展。他们发现细胞壁蔗糖转化酶（CWIN）是调控番茄库源关系的重要调控基因，高温抑制CWIN的表达、使碳同化物无法有效＂流＂转至果实中，从而导致“流”滞、“库”亏，造成番茄大幅减产和品质低下。他们将一个热响应元件（heat-shock element, HSE）敲入番茄CWIN基因的启动子中，从而赋予其热响应上调表达的能力。通过这一巧妙的分子设计，番茄在高温逆境中也可以通过热响应元件上调CWIN的表达（补偿高温对CWIN的抑制），从而稳定碳同化物对果实的供应、实现稳产；在正常条件下则可以增强碳同化物在果实中的分配，实现高产。

该研究创建了不同作物适用的环境智能作物育种技术体系，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，研究团队将该方法应用于水稻，正常条件下可使水稻单产提高7%～13%,高温逆境下比对照增产25%､大幅度挽回高温胁迫造成的产量损失。

该团队建立了巧妙的智能分子设计育种技术，使水稻和番茄能感应温度变化、自动“畅流、扩库”，解决了高温导致的“流”滞、“库”亏问题、实现＂逆境稳产、顺境高产＂，这对未来作物的分子设计育种均具有开创意义、为作物单产提升和应对气候变化导致的农作物减产提供了全新策略。

专家点评

黄三文（中国科学院院士、中国热带农业科学院 院长）

近年来，育种同质化愈发严重，遗传多样性降低，大品种、好品种的培育难度明显增加，单产的进一步提升面临挑战；加之全球气候变化引起的农业灾害频发，尤其是高温逆境，导致农作物大幅减产，严重威胁粮食安全。发掘利用更多具有重大育种价值的基因是突破单产提升瓶颈的关键。然而，随着品种集中选育、基因挖掘深度和广度的不断加大，发现新基因的难度越来越大。因此，如何发现“老基因”的新功能，或者将“老基因”变得更好用，甚至把不能用的基因变得可用，是未来育种突破单产提升瓶颈的重要途径。

最近，许操研究员带领的科研团队在这方面取得了突破。他们创建了环境智能型高产稳产作物育种新技术，在水稻和番茄中实现了顺境高产逆境稳产。该研究团队从农业生产中高温导致番茄大幅减产、果实品质低下的现象入手，首先明确了该现象背后的植物生理学基础，即源库关系失衡导致叶片产生的光合产物（蔗糖）无法有效转化为果实发育所必须的葡萄糖和果糖，从而引起落花落果。进一步研究发现，源库关系紊乱的原因主要是源库调控的经典基因---细胞壁蔗糖转化酶CWIN被抑制表达，导致了果实“糖饥饿”。如何改造CWIN这个“老基因”，赋予其更为强大的功能是破解“糖饥饿”，提高单产的关键。

许操团队提出了将热响应顺式调控元件敲入内源CWIN启动子的设想。为了高效精准敲入基因，该团队创建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环境智能设计育种技术体系，并将一个10个碱基的热响应元件（heat-shock element, HSE）精准敲入番茄内源CWIN基因的启动子的靶向位置，不仅赋予其响应温度变化提高表达的能力，而且不改变其表达部位，使番茄获得了随温度变化原位、实时、自动增加光合产物向果实分配的能力，获得了“环境智能型”的番茄新种质。多年多点多品种单产测试表明，在正常农业生产条件下该方法可使番茄大幅增产，逆境条件下可以减损稳产，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均没有受到影响，在适当条件下还有显著提高。重要的是，该技术具有普遍适用性，经改造的水稻在正常农业生产条件下单产提高7%～13%，高温逆境下比对照增产25%，可挽回高温胁迫造成的41%的稻米产量损失。

过去几十年的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。许操研究员团队研发的环境智能高产稳产育种技术开辟了育种新思路，具有重要的开创意义和实用价值，为精准敲入环境感应分子开关，设计更多具有重大育种价值的基因，培育顺境高产逆境稳产的环境智能作物铺平了道路。

许操实验室简介与招聘启事

许操研究员2017年入选国家海外人才引进计划、中科院率先行动引才计划入职中国科学院遗传发育所，任研究员，博士生导师，研究组组长。2018年入选科技部重点领域创新团队，2022年获国家杰出青年基金资助，2022年获中国青年科技奖，2023年入选国家自然基金委基础科学中心。担任National Science Review、JIPB等杂志编委。长期从事作物发育环境适应性机理与设计育种研究，近5年主要成果在Cell, Nature Biotechnology, Nature Genetics, Nature Chemical Biology, Nature Plants等杂志发表，相继在作物从头驯化、环境智能设计育种、作物蛋白质相分离以及作物发育稳健性等新领域取得原创性研究成果，相关成果被Nature, Science, Discover等杂志多次荐评。

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