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人類在約12000多年前開始馴化野生植物，現(xiàn)存的40多萬種植物中，僅約不到100種被馴化成今天被種植的各種作物。今天人類從糧食中獲得能量的70%僅來自于15種作物，其中玉米、水稻和小麥三大作物占比高達(dá)50%。隨著人口的不斷增長和消費(fèi)習(xí)慣的改變給傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來越來越多的壓力。我們能否從眾多的野生和半野生植物中，重新馴化一些新的更符合人類未來需求的新作物，為解決世界日益嚴(yán)峻的糧食問題提供新的解決方案，是一個(gè)值得思考的問題。 近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵教授與德國馬普分子植物生理研究所 (Max-Planck-Institute of Molecular Plant Physiology) 的Alisdair R. Fernie教授在 Molecular Plant 上發(fā)表了題為 De novo domestication: An alternative route toward new crops for the future 的觀點(diǎn)文章，就這一問題做了闡述。該文章首先回顧了作物馴化的歷史；隨后介紹了當(dāng)前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)并提出了“再馴化”（Re-domestication）和“從頭馴化”（De novo domestication）的理念；最后展望了如何通過我們已經(jīng)掌握的關(guān)于作物馴化和改良的知識(shí)來從頭馴化新的作物，以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人類糧食需求之間的矛盾。 在對(duì)作物馴化歷史總結(jié)中，作者總結(jié)了過去人類馴化和改良作物的4個(gè)階段，認(rèn)為生物技術(shù)和基因組驅(qū)動(dòng)的育種技術(shù)進(jìn)步正為我們叩開設(shè)計(jì)育種的大門，將大數(shù)據(jù)與基因組編輯和精準(zhǔn)育種相結(jié)合，有望引發(fā)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的“第三次綠色革命”。作者認(rèn)為除了人口增長引起的農(nóng)業(yè)發(fā)展的緊迫性之外，未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要挑戰(zhàn)還有農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性、作物對(duì)環(huán)境變化或極端環(huán)境的耐受性和人們對(duì)作物可食用部分營養(yǎng)品質(zhì)的需求不斷提高。 針對(duì)這些問題，該文章提出了“再馴化”處于半馴化狀態(tài)的作物及“從頭馴化”產(chǎn)生新作物的解決方案?！霸亳Z化”的優(yōu)勢(shì)在于可以直接利用已經(jīng)適應(yīng)種植環(huán)境的處于半馴化的物種。“從頭馴化”可通過傳統(tǒng)的人為選擇和基因組編輯等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過人工選擇進(jìn)行“從頭馴化”需要至少20個(gè)以上世代才能綜合地改良野生物種，對(duì)于遺傳基礎(chǔ)不太復(fù)雜的特定性狀而言，這一過程可以非?？焖?，但通過人工選擇進(jìn)行“從頭馴化”不利的一點(diǎn)在于有害的變異會(huì)通過“搭載效應(yīng)”保留下來。近年來迅猛發(fā)展的基因編輯技術(shù)則可以有效解決“搭載效應(yīng)”的問題，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)的“從頭馴化”。目前已經(jīng)有3例通過基因編輯技術(shù)來快速改良野生物種成為可以栽培的作物的實(shí)例報(bào)道。 上世紀(jì)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域取得的成就——尤其是第一次綠色革命，對(duì)于養(yǎng)活世界人口意義重大，但是目前我國農(nóng)業(yè)“高投入-高產(chǎn)出”模式也面臨越來越大的挑戰(zhàn)。作物馴化過程中，僅有限數(shù)目的基因受到了選擇（以玉米為例，約有1200個(gè)編碼蛋白的基因受到選擇），由此可見知識(shí)驅(qū)動(dòng)的“再馴化”和“從頭馴化”具有很大的潛力。該文章為此提出了實(shí)現(xiàn)“從頭馴化”新作物的關(guān)鍵步驟：1）候選物種的確定；2）馴化關(guān)鍵基因的鑒定，利用基因編輯等技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)野生植物到馴化作物的轉(zhuǎn)變；3）目標(biāo)有益性狀調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的確定，利用基因編輯等技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性狀基因網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)調(diào)控；4）提供擁有不同有益性狀的個(gè)性化作物滿足不同人群多樣化的需求。 未來理想作物馴化路線圖 “再馴化”和“從頭馴化”從新的視角提供了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的一個(gè)解決方案。此文的前瞻性觀點(diǎn)對(duì)于未來的作物遺傳改良具有重要啟示意義。 原文鏈接： https://www./molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30129-7 |
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