譯者：盧紅玲，朱亞輝，劉青山

（1.湖南省農(nóng)業(yè)信息與工程研究所，湖南 長沙 410125；2.長沙師范學校，湖南 長沙 410100）

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織估計，到2050年，全球糧食需增產(chǎn)超過70%才能滿足地球上90億人口的剛性需求。但是，實現(xiàn)這一增長目標受到了諸多限制：一方面，為解決人口增長帶來的食物需求問題，糧食產(chǎn)量年增幅需達到37%以上，而這一問題在貧窮的發(fā)展中國家尤為突出。另一方面，強降水、熱浪、海平面升高等現(xiàn)象在世界多地發(fā)生，產(chǎn)生了洪水、干旱、鹽堿化等嚴重后果，這些極端天氣頻發(fā)嚴重制約了糧食的持續(xù)增產(chǎn)，繼而威脅到全球糧食安全。

新技術、新農(nóng)藥的應用和高產(chǎn)作物品種的引進曾有力地促進了糧食增產(chǎn)，從1961開始，近50年來，盡管全球耕地面積只增加了12%，糧食產(chǎn)量卻增加了150%。但由于全球氣候變化及不合理的耕作方式，耕地質量下降，許多地方的糧食產(chǎn)量增長率只有高峰期的一半。而今后，在不斷惡化的氣候條件和自然資源條件下，必須致力于提高單位投入的產(chǎn)出，才能解決糧食增產(chǎn)問題。這一理念由Chatham House提出，其核心是“少輸入多產(chǎn)出”，即培育和種植更高產(chǎn)、適應能力更強、適用范圍更廣、水、肥及其他投入利用率更高的“聰明”作物品種，從而實現(xiàn)高效、“綠色”的生產(chǎn)目標。

1 “聰明”作物的品種特征

經(jīng)過改良的“聰明”作物品種是遺傳多樣性的組合，適應各種不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和種植習慣，尤其是能應對氣候變化，這是實現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)集約化的關鍵。除了高產(chǎn)，新的“聰明”作物還要“學著”抵御各種極端天氣，以及隨之出現(xiàn)的新的病蟲害類型。同時，“聰明”作物必須能更有效地投入使用，通過改善營養(yǎng)物質，滿足消費者對健康、多樣化飲食的需求?？傊奥斆鳌弊魑锲贩N應具有以下特性：能用作食品、生物能源底物、畜禽飼料、還能提供纖維，這些植物纖維能幫助減輕纖維工業(yè)對耕地、水資源甚至糧食的需求壓力。

2 “聰明”作物的基因來源

人類活動及生物的自然進化，使得用作糧食的植物品種遺傳來源非常狹窄，這在一定程度上導致了當遭遇相同脅迫時，會對這些植物造成毀滅性結果。而培育“聰明”作物，最重要的就是要充分利用糧食與農(nóng)作物的遺傳資源，即PGRFA（plant genetic resources for food and agriculture）。

釋放PGRFA的內在潛能，可從兩個方面做工作：一是擴大可遺傳變異資源的來源，二是誘發(fā)基因突變，產(chǎn)生新的可遺傳變異。

2.1 擴大可遺傳變異資源的來源

為改變可遺傳變異來源狹隘的狀況，應鼓勵在遺傳改良培育中使用作物的野生親緣種、本土品種、非適應遺傳物質，甚至某些低產(chǎn)的、具有非期望的特征的遺傳資源。使用這類非適應遺傳物質有時會起到意想不到的效果。據(jù)Gur和Zam ir報道，他們引入土豆耐旱、結綠果的野生親緣種質基因，結果使土豆產(chǎn)量提高了50%。

Pi黃ctu志 re農(nóng): 21世紀，氣候變化將導致極端天氣頻發(fā)

一般，非原位或者田間原位保存的作物野生親緣種、未充分利用的作物品種和以往被忽視的種類是真正有益的“遺傳倉庫”，它們在馴化過程中往往沒有被用到。還有些已經(jīng)適應了新氣候的物種，他們都有助于培育“聰明”作物。作物的野生親緣種是作物遺傳改良的重要種質資源，對提高作物產(chǎn)量、改善品質、提高對生物和非生物逆境的抗性具有重要作用。在相當長一段時間里，作物改良最可靠的方法是獲得大量的種類豐富的遺傳變異資源，這也是《PGRFA公約》的工作核心，即保存、獲取和可持續(xù)利用PGRFA。只有徹底打破國家與地區(qū)之間的界限，通力合作，才能使這項工作順利進行。當然，利用這些資源還需要大量的時間和費用。

2.2 誘發(fā)基因突變

如果不能從現(xiàn)有的種質獲得可遺傳的變異資源，也可以選擇誘發(fā)等位變異。利用物理或者化學誘變劑，誘發(fā)大量不同的基因突變，再根據(jù)需要選育出優(yōu)良品種，已成為一種新的育種方法。誘發(fā)基因突變被確立為一種作物改良戰(zhàn)略，目前全球已通過這一方法產(chǎn)生了3200多種優(yōu)良作物品種和觀賞植物。定向誘導基因組局部突變技術是一種全新的反向遺傳學技術，可快速、有效地誘發(fā)、鑒定和定向篩選突變，對作物品種改良具有重要意義。此外，細胞和組織技術也常用于提高誘發(fā)突變的功效。

3 “聰明”作物的育種方法

培育“聰明”作物，需要利用盡可能多的可遺傳變異資源，增加產(chǎn)量、提高肥料利用率，以及抗生物和非生物脅迫的能力。這項工作不僅僅依靠育種人員，更需要多方支持、跨學科研究，充分發(fā)揮PGRFA的潛能，才能最終培育出“聰明”的作物品種。

3.1 參與式作物育種

栽培者和其他利益相關者如消費者、推廣者、賣家、工廠、田間合作人員等都應參與培育“聰明”作物。除此之外，還應包括育種目標群體，如種植戶和其他終端用戶，以形成反饋機制。種植戶可以在設計、檢測評估和傳播階段參與其中。當前的農(nóng)業(yè)科研模式中，農(nóng)民參入育種的機會很少，但實際上，農(nóng)民在選擇、改良、改變植物品種方面的作用非常重要，直接影響著作物的育種方向。因此，作物育種中應該包括農(nóng)戶的參與式品種選擇，才能構成一個有機整體。

3.2 新的育種技術應用

3.2.1 標記輔助選擇育種 分子標記輔助選擇是伴隨著現(xiàn)代分子生物學技術的迅速發(fā)展而產(chǎn)生的新技術，它可以從分子水平上快速準確地分析個體的遺傳組成，從而實現(xiàn)對基因型的直接選擇。目前，標記輔助選擇育種技術的應用主要集中在基因聚合、基因滲入、根據(jù)育種計劃構建基因系等方面。

Pi黃ct志u re農(nóng): 培育“聰明”作物，以應對21世紀的氣候變化

使用恰當?shù)姆肿由飳W研究方法，定位某個基因組片段（即分子標記），并應用統(tǒng)計算法準確識別“目標基因”在基因組的位置，標記輔助育種技術將在很大程度上促進作物育種技術的發(fā)展，并將在開發(fā)應對21世紀氣候變化的“聰明”作物中起到關鍵作用。

3.2.2 基因遺傳轉化 遺傳轉化可分為自然遺傳轉化和人工轉化，前者是細胞在一定生長階段的生理特性；后者則是通過人為誘導的方法，使細胞具有攝取DNA的能力，或人為地將DNA導入細胞內。玉米、大豆、油菜和棉花4種作物在應用了該技術后，其抗除草劑和抗蟲性方面的表現(xiàn)十分突出，16年來商用種植面積共增長了94倍。

基因遺傳轉化育種在技術上還存在一些需要攻克的難題，包括大多數(shù)轉基因生物的獨立基因缺乏有效的再生系統(tǒng)，以及在抗非生物脅迫（如氣候變化帶來的鹽堿化和干旱）育種方面的滯后。此外，所涉及到的知識產(chǎn)權問題也會給應用帶來了限制。

3.2.3 新的生物技術 近幾年出現(xiàn)了很多新的生物育種技術，以下列出8種培育“聰明”作物的新方法。

Zn指蛋白核酸酶技術：屬于轉基因技術的一種，通過在基因序列的特定部位精確的切斷、修改或添加基因來創(chuàng)造新型細胞或整個生物體。

寡核苷酸定向誘變：誘導產(chǎn)生單個或少量核苷酸的目標突變。

同源轉基因技術：將本物種或近緣野生種克隆的優(yōu)異等位基因導入到要改良的育種材料中。因其和常規(guī)育種所要導入的目標基因來源相同，所以培育的新品種也是安全的，且可以縮短育種周期。

RNA介導的DNA甲基化：改良的基因組出現(xiàn)新的表觀遺傳，僅持續(xù)幾代。

接穗 ：將非轉基因的枝或芽接穗到轉基因砧木上。

反向育種：結合DNA重組技術和細胞生物學過程，按照親本來源的等位基因進行反向重排而產(chǎn)生新的雜合基因型。

農(nóng)桿菌浸潤接種：農(nóng)桿菌屬的懸液和目標基因浸潤，接種到植物體（通常是葉片）上，以使基因性狀在局部瞬時高水平表達。主要用于研究，比如研究病菌對活體的作用，以選擇親本系號或者評估轉基因效率。

合成基因組學：根據(jù)天然的基因組序列信息設計對應的短DNA片段，用化學合成的方法合成這些DNA片段，然后組裝成大功能的DNA分子，用于產(chǎn)生生物燃料和醫(yī)藥品。

3.2.4 高通量的表型評估 育種過程中，從大量材料中篩選合適的個體是個艱巨的任務。為使育種過程更為高效，材料的表型評估應與高通量的分子檢測同步。

4 小 結

總之，要培育應對21世紀氣候變化的“聰明”作物，就必須增加作物的遺傳多樣性、確定育種對象、創(chuàng)新以結果為導向的育種方法，必要時，要進行政策性及戰(zhàn)略性干預。

從全球的角度來講，則需要以積極可行的政策促進植物育種，努力提高各國品種改良的能力；加強培訓，提升21世紀育種人員的能力；爭取合作伙伴，發(fā)揮公共和私營部門的協(xié)同作用；提高PGRFA在“聰明”作物育種中的貢獻率；此外，還需加強發(fā)展中國家的農(nóng)業(yè)研究和技術推廣體系建設。