近日，Nature在線發(fā)表題為“Genetic modification can improve crop yields — but stop overselling it”的評論文章，文章指出，基因改造可以提高作物產(chǎn)量——但不要過度吹捧它 。以往報道中，包括nature在內(nèi)發(fā)表的論文中的一個或多個基因修飾可以提高 10% 至 68%的產(chǎn)量，但實際在生產(chǎn)應(yīng)用中幾乎很少有產(chǎn)量的提高。那為什么會有這種情況發(fā)生？作者認為主要原因是研究團隊缺乏適當(dāng)?shù)膶I(yè)知識，并且期刊編輯沒有咨詢具有適當(dāng)專業(yè)知識的同行評審員。最后作者團隊還提出，是否在生產(chǎn)上提高產(chǎn)量需要滿足5個標(biāo)準。

下面是全文翻譯：

隨著氣候變化和人口不斷增長，世界越來越需要生產(chǎn)力更高、適應(yīng)性更強的作物。但改進它們需要了解該領(lǐng)域?qū)嶋H有效的方法。

在過去的二十年里，包括Nature在內(nèi)的許多期刊都發(fā)表了論文，描述修改一個或幾個基因如何導(dǎo)致作物產(chǎn)量大幅增加（見下圖）。報告的增幅為 10% 至 68%，分析的作物包括水稻、玉米、煙草和大豆（參考文獻1-4）。這些研究為分子生物學(xué)和基因發(fā)現(xiàn)提供了重要的見解。但許多測試的結(jié)果是在溫室或小規(guī)模田間試驗中進行的，后者通常涉及在小塊土地上種植的植物。很少（如果有的話）使用了評估現(xiàn)實環(huán)境中作物性能所需的實驗設(shè)計。而且?guī)缀鯖]有任何發(fā)現(xiàn)能夠轉(zhuǎn)化為實際農(nóng)場產(chǎn)量的增加。

特別是在氣候變化和人口不斷增長的背景下，有關(guān)產(chǎn)量的誤導(dǎo)性說法的增加已成為我們關(guān)注的一個問題。作為植物育種家、數(shù)量遺傳學(xué)家、進化生物學(xué)家和植物生物學(xué)家，我們中的許多人都曾參與過國家項目或與跨國公司合作進行作物育種。

PubMed 數(shù)據(jù)分析 M. Khaipho-Burch等人。

為了鼓勵更具影響力的科學(xué)，我們要求研究人員、審稿人和期刊編輯確保每當(dāng)聲稱單個基因或幾個基因?qū)ψ魑锂a(chǎn)量的影響時至少滿足五個標(biāo)準。我們還敦促各個學(xué)科的研究人員比目前更多地合作，并使用成熟的產(chǎn)量測試方法。

需要有遠見  

關(guān)于引入其他物種的基因或使用基因編輯技術(shù) CRISPR-Cas9 修改一個或多個基因可能對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響的報道引起了媒體的廣泛關(guān)注。然而，幾十年來使用的更傳統(tǒng)的植物育種方法描繪了未來幾十年基因改造在產(chǎn)量方面可能實現(xiàn)的截然不同的前景。

育種家和數(shù)量遺傳學(xué)家認為作物生產(chǎn)力的真正突破意味著單代產(chǎn)量增加了 1-5% （參考文獻5-7）。這些經(jīng)過驗證的增長來自涉及世界各地多個地塊和地點的多年實驗。盡管看似不大，但在全球總產(chǎn)量的背景下，這些增長實際上是顯著的。

以位于印第安納州印第安納波利斯的種子公司 Corteva Agriscience 開展的長達 20 年的項目為例，該項目的結(jié)果于 2021 年發(fā)表在《植物科學(xué)》雜志上。研究人員測試了來自 47 個物種的 1,671 個基因?qū)τ衩桩a(chǎn)量、氮利用、水利用和其他性狀的影響。這些基因中只有 1%（22 個基因）在初始試驗中增加的產(chǎn)量足以保證進行更多研究7。在隨后的幾輪測試中，只有一個基因——編碼轉(zhuǎn)錄因子的zmm28——產(chǎn)生了該公司一直希望的產(chǎn)量提高。

為了探究zmm28在田間的影響，研究人員引入了基因修飾技術(shù)，導(dǎo)致該基因在兩個優(yōu)良自交系中過度表達。（過去 100 年的嚴格選擇已經(jīng)產(chǎn)生了玉米優(yōu)良自交系，它們可以雜交產(chǎn)生高產(chǎn)雜交品種。）這些被用來培育 48 種雜交植物，并在 58 個地點-年份組合中進行了 4 年多的測試。所有這些田間試驗表明， zmm28的過表達可以使玉米產(chǎn)量增加約 2% （參考文獻5）。

孟加拉國蘇南甘杰的一名農(nóng)民在降雨引發(fā)洪水后用船運送收獲的稻米。圖片來源：Md Manik/SOPA Images/LightRocket via Getty

數(shù)以千計的基因間接影響作物產(chǎn)量。僅在玉米中，大約 20-30 個基因（例如改變?nèi)~子角度的無葉舌家族中的基因）就使農(nóng)民在過去 100 年左右的時間里將其農(nóng)場的植物密度增加了 3-4 倍（參考文獻8）。觀察到的產(chǎn)量增長中約 8.5-17% 可歸因于種植密度的提高（8 , 9）。但產(chǎn)量本身是一種高度復(fù)雜的多基因性狀，這意味著它受到數(shù)千個變體的控制，每個變體的影響都很?。?span>參考文獻10）。

盡管單個基因可以影響產(chǎn)量，但這些基因總是與土壤和肥料管理制度以及涉及作物馴化和適應(yīng)的數(shù)百個其他基因等一起發(fā)揮作用。例如，綠色革命中農(nóng)作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的急劇增加源于將基因變體Rht-B1和Rht-D1引入小麥，將sd1引入水稻，并結(jié)合更多地使用合成肥料。這些植物變矮，降低了它們在強風(fēng)中受損的可能性。

我們認為，在沒有環(huán)境壓力和病原體的情況下，對產(chǎn)量產(chǎn)生重大有益影響的基因不太可能存在。作物產(chǎn)量是在嚴格的選擇下進化的，因此任何能夠在當(dāng)今存在的大多數(shù)環(huán)境和作物品種中顯著提高產(chǎn)量的基因變體都已經(jīng)被納入育種系中。

考慮到這一切，毫不奇怪的是，所有聲稱單個基因或幾個基因影響產(chǎn)量的已發(fā)表研究都沒有在類似于農(nóng)場的條件下得到驗證。但為什么首先要發(fā)表這樣的聲明呢？我們認為主要原因是研究團隊缺乏適當(dāng)?shù)膶I(yè)知識，并且期刊編輯沒有咨詢具有適當(dāng)專業(yè)知識的同行評審員。

如果團隊中沒有植物育種家、數(shù)量遺傳學(xué)家或農(nóng)學(xué)家（專注于土壤和農(nóng)業(yè)實踐的研究人員），研究人員可能無法確保使用適當(dāng)?shù)膶嶒炘O(shè)計進行產(chǎn)量評估。同樣，如果沒有足夠的審稿人和編輯熟悉大規(guī)模作物試驗中實驗設(shè)計和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，關(guān)于產(chǎn)量增加的有問題的說法可能會在已發(fā)表的論文中持續(xù)存在。

在《自然》或《科學(xué)》等高影響力的非專業(yè)期刊中，問題可能源于編輯與作物育種和數(shù)量遺傳學(xué)專家沒有足夠的聯(lián)系，這些專家受過嚴格審查田間實驗和產(chǎn)量試驗的培訓(xùn)。這些期刊上的論文往往只用幾句話來描述溫室實驗或小規(guī)模田間試驗的結(jié)果。審稿人更有可能是分子生物學(xué)家或遺傳學(xué)家，并將大部分注意力集中在論文的主要貢獻上——通常是由遺傳改良引起的分子生物學(xué)變化。

五個標(biāo)準  

為了評估基因變化（或多種變化）對作物生產(chǎn)力的影響，研究人員應(yīng)堅持使用近一個世紀以來行之有效的測試方法（參考文獻11）。研究人員、審稿人和期刊編輯至少應(yīng)確保滿足這五個標(biāo)準。

1. 研究應(yīng)使用產(chǎn)量的標(biāo)準定義。對于世界上生長最快的七種作物（玉米、小麥、水稻、大豆、木薯、馬鈴薯和高粱），農(nóng)民和育種者將產(chǎn)量描述為每單位面積收獲的干糧重量，或單位面積的干物質(zhì)含量。單位面積收獲的根和塊莖。報告產(chǎn)量變化的研究人員應(yīng)該使用這些措施，而不是其他一些指標(biāo)，例如顆粒長度或顆粒寬度。

2. 應(yīng)在不同地塊、地理位置和年份之間重復(fù)試驗。在某些情況下，研究人員會在小規(guī)模田間研究中記錄多個地塊的數(shù)據(jù)，但隨后僅報告表現(xiàn)最好的地塊或植物的產(chǎn)量。更常見的是，研究人員在未重復(fù)的試驗中測量產(chǎn)量，而不考慮可變的環(huán)境條件（包括氣候模型預(yù)測的未來條件），或?qū)嶋H農(nóng)場中該作物典型的收獲和其他做法。

這可能部分是由于一些國家對轉(zhuǎn)基因植物測試施加嚴格的監(jiān)管限制，以及在這種限制下進行測試的成本高昂。然而，在不同基因型和環(huán)境條件下具有巨大差異的基因的影響可能不夠穩(wěn)定，無法具有商業(yè)競爭力（參考文獻6，7）。因此，研究人員設(shè)計具有足夠統(tǒng)計能力的實驗來應(yīng)對他們面臨的任何限制至關(guān)重要。

3. 品種、種植密度等條件應(yīng)與農(nóng)場基本一致。研究人員應(yīng)盡可能將最終生產(chǎn)農(nóng)作物的農(nóng)場的條件和做法納入實驗設(shè)計。這意味著努力復(fù)制現(xiàn)實世界的施肥、耕作、灌溉、播種、收獲等實踐。這意味著采用避免邊緣效應(yīng)（可能會扭曲產(chǎn)量估計）的地塊設(shè)計，并以標(biāo)準密度種植植物。

在過去的一個世紀中，育種者選擇了能夠耐受高密度的作物變種，但在許多小規(guī)模試驗中，植物的間隔密度較低，與商業(yè)無關(guān)。事實上，產(chǎn)量有時是根據(jù)單株植物而不是整個地塊來衡量的。然而，當(dāng)植物以農(nóng)民通常使用的密度種植時，導(dǎo)致單株植物產(chǎn)量顯著增加的基因型（例如使它們比鄰近的植物長得更高）可能無法影響整個地塊的產(chǎn)量（參考文獻9）。

最后，這意味著盡可能使用精英的、具有商業(yè)競爭力的品種——而不是較老的品種——作為田間試驗的比較標(biāo)準。老品種的產(chǎn)量可能比當(dāng)今商業(yè)品種的產(chǎn)量低 4-17 倍（參考文獻12，13）,。事實上，育種公司在考慮將包含此類基因的產(chǎn)品商業(yè)化之前，總是會在數(shù)十萬株由眾多優(yōu)良品種培育而成的植物中測試單個基因的影響（參考文獻14）。

4. 應(yīng)使用適當(dāng)?shù)目刂拼胧?/span>改良作物的產(chǎn)量測量應(yīng)與正在調(diào)查的任何作物的當(dāng)?shù)鼗驀耶a(chǎn)量進行比較，而不是與一些不再使用的舊品種進行比較。雜交品種的性能應(yīng)與其他雜交品種進行比較，而不是與自交系等進行比較。對照還應(yīng)包括“無效構(gòu)建體”——攜帶伴隨感興趣修飾的分子改進的植物（例如報告基因，它表明感興趣的基因已成功引入），但不攜帶關(guān)鍵遺傳變化本身。

5. 研究人員應(yīng)該優(yōu)先考慮植物育種可能遺漏的基因。在投入大量時間和金錢對特定的感興趣基因進行研究之前，研究人員應(yīng)該檢查商業(yè)作物品種中是否已經(jīng)存在或固定了類似的等位基因。如果植物育種者已經(jīng)對某個基因進行了數(shù)十年的研究，那么它就不太可能突然帶來產(chǎn)量的大幅增長。

更好的選擇

在商業(yè)植物育種計劃中，研究人員使用明確定義的測試階段來可靠地將發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。同樣的事情也發(fā)生在藥物開發(fā)中。正如臨床試驗登記和分子測定報告中使用一致的標(biāo)準一樣（參考文獻15），植物科學(xué)家應(yīng)該制定標(biāo)準來定義每個階段產(chǎn)量測試的最低標(biāo)準。

當(dāng)然，分子生物學(xué)家、植物育種家、農(nóng)學(xué)家和數(shù)量遺傳學(xué)家之間的更多合作將有助于確保在評估遺傳修飾對產(chǎn)量的影響時采取我們在此概述的所有步驟（參見“基因組選擇”）。

基因組選擇  

在過去的二十年中，一種稱為基因組選擇的工具徹底改變了植物育種18。它使用建模和統(tǒng)計方法來評估哪些遺傳變異組合可以在一系列環(huán)境條件下產(chǎn)生最高產(chǎn)量（或正在研究的任何性狀）（參考文獻19）。

基因組選擇不需要了解性狀是如何通過遺傳控制的，或者單個基因的具體影響。它對于高度多基因性狀（例如產(chǎn)量）效果很好，因為同時建模和選擇了數(shù)千個有利的基因組變異。在全球范圍內(nèi)，基因組選擇對主要糧食作物的產(chǎn)量產(chǎn)生了顯著且一致的影響（參考文獻19，20）。

我們不主張應(yīng)用基因組選擇來代替其他可能的作物遺傳改良方法。但有意義的產(chǎn)量提高最有可能來自于植物育種家和數(shù)量遺傳學(xué)家應(yīng)用基因組選擇，并與分子生物學(xué)家合作，確定可以對作物產(chǎn)量及其適應(yīng)環(huán)境條件的能力做出最大貢獻的途徑。

然而，我們對許多分子生物學(xué)家和其他研究人員感到驚訝，他們不知道有多少公共資助的組織進行可以幫助他們進行測試的現(xiàn)場試驗。例如，美國公共資助的田間基因組計劃每年都會在全國 30 個地點進行嚴格的產(chǎn)量試驗，測試玉米品種（參考文獻16）。在國際上，以大學(xué)為基礎(chǔ)的育種項目在農(nóng)場和作物創(chuàng)新中心（例如由國際農(nóng)業(yè)研究咨詢小組（CGIAR）等國際合作組織運營的作物創(chuàng)新中心）領(lǐng)導(dǎo)大規(guī)模田間試驗，在世界各地測試農(nóng)作物品種。有了足夠的支持，即使是營利性組織也會有動力去測試研究人員的“興趣基因”的影響。

如今，玉米、大米、小麥和大豆共同提供了世界農(nóng)業(yè)熱量的三分之二。然而，由于氣候變化和人口增長，這些作物的產(chǎn)量提高率不足以滿足預(yù)期需求（參考文獻17）。面對全球糧食安全面臨的巨大挑戰(zhàn)，我們敦促研究人員采用久經(jīng)考驗的方法來準確測量基因修飾對作物產(chǎn)量的影響。

原文鏈接：

https://www./articles/d41586-023-02895-w