为养活100亿人,育种家正在争分夺秒

为养活100亿人,育种家正在争分夺秒

到2050年,全球人口预计将从2019年的77亿增长到2050年的97亿,因此地球需要将粮食产量增加70%。地球怎么能支持这么多人呢?这需要农业科学家,特别是植物育种者的关注。

问题是,我们可以足够快地培育出更好的品种吗?

到目前为止,传统的育种方法为我们带来了适合机械收获的高产,营养丰富的作物。然而,目前包括小麦,大米和玉米在内的主食增长率还不够。未来的作物必须更富有成效,更富有营养,能抵抗疾病和昆虫,需要智能地适应气候变化。

饲养员正在与时间赛跑。

植物育种的关键限制因素之一是长作物生长周期,通常每年只生产一代或两代。通过使用“快速育种”方案部分地解决了该问题。

150年前,植物学家开始在人造光下种植植物(碳弧灯)。在20世纪80年代中期,美国宇航局与犹他州立大学合作,探索在空间站不断发光的快速生长小麦的可能性。这种共同努力导致了矮小麦育种系列的诞生,可用于快速生长。

LED技术的后续进步极大地提高了科学家对每种作物的调整和定制照明设置的精确度,并显着降低了提高作物生产力的室内植物育种系统的成本。

Lee Hickey,澳大利亚昆士兰大学的植物遗传学家,致力于“快速繁殖”技术,通过严格控制光照和温度使植物过载,使育种者能够尽快收获种子,以培育下一代作物。

3463416b502e4cf6aef3510e9d2c71f0

图|李昆士兰农业和食品创新联盟)

该技术的灵感来自于美国宇航局在空间站种植作物,每天用蓝色和红色LED灯照射种子22小时,并将温度保持在16.7到22.2摄氏度之间,“作弊”作物提前开花。

该技术使用最佳的光质,光照强度,照明持续时间和温度控制来加速光合作用和开花,以及更早收获种子,从而减少通过时间。针对需要特定环境因素(如春化或短日照)诱导开花的物种,可以选择特别定制的方案。当这些技术应用于可以高密度生长的小谷类作物(例如,每平方米1000株植物)时,可以减少与开发大量近交作物相关的空间和成本。

a834f7b4b5044609a11aaf114424590b

图。|小麦在LED的温室中,具有长光周期的作物生长得更快。图a是播种后43天,左侧为16小时光周期,右侧为22小时光周期。图b是播种后79天,左边是16小时光照,右边是22种自然协议)

该研究发表于2018年11月的Nature Protocols。根据Hickey的说法,他们种植的小麦,大麦,鹰嘴豆和油菜可以在一年内繁殖六代。应该注意的是,该方法目前仅适用于植物育种,由于其经济成本高,不适合农民种植作物。

小麦很重要,占世界人均每日卡路里摄入量的20%。 2017年在澳大利亚发布了第一个使用快速育种开发的小麦品种“DS法拉第”。该产品可防止成熟的作物种子在雨后过早发芽。

在温室中培育出良好的品种后,可以进行田间试验,以确保在向农民推广之前获得丰收。

现在有多种作物可用于快速育种计划。

这为饲养员提供了很大的加速空间。

例如,筛选目标性状。孟山都公司的种子切片技术是一种高通量育种设备,使研究人员能够在不影响整个种子表现的情况下获取遗传信息,从而加速植物目标性状的筛选。

bd4cb045cd2b4d139044002d008502d2

图| mag.audubon.org)

该设备可以切割玉米,大豆,小麦,甜瓜和其他作物的种子进行DNA分析,以确定它们是否含有目标基因,其余的种子仍然可以播种。在该技术发明之前,对下一代靶基因的分析需要在收获时分析作物茎和叶。换句话说,高速种子切片机避免了时间和空间的干扰,可以大大提高分析速度和规模。切片机每天可处理数十万颗种子,而手工处理则为100人,3个月,400,000粒种子。

本发明不是育种过程中角落的更新,其意义在于加快育种进程。

与第一批粮食作物在12000多年前驯化的时代不同,今天的植物育种者拥有大量的作物改良工具。

自动化高通量表型分析可以快速评估大量种群,提高选择强度并提高选择准确性。

表型是作物形状,大小,结构,颜色等的可观察的外部表现,并且表型分析是指植物生长,发育和生理学的任何方面的测量。 “表型为王,基因为后”是相关领域学者的口头禅。表型分析是育种者理解基因功能和环境影响的关键环节。

表型监测平台可以通过携带各种传感器快速获取遥感数据。在国际上,可以在室内平台的自动,高通量和全生长期获得表型结构参数,生理参数和环境应力分析。

在国内,华中农业大学开发了一台断层扫描仪和一台数字试验机,用于获取结构信息,如收获后个体水稻和种子性状的株高和分蘖。

2014年,中国科学院植物研究所开发出首个中国高通量作物三维表型监测系统,包括室内固定平台,户外移动监测平台,无人机监测平台和大规模固定监测。正在建设的平台。室内平台集成了四个传感器,一个激光雷达,一个高分辨率相机,一个多光谱和一个热成像仪,在240秒内扫描一帧20平方米的作物。

4b1bd816388f46808aa7e6f2e0850f73

图|中国科学院植物研究所郭庆华实验室

虽然人工观察可能永远不会被机器完全取代,但高通量表型分析可以让育种者看到更多。特别是,更便宜的现场操作平台正变得越来越强大和实用,特别是对于可以携带大载荷并且具有更长飞行时间的无人机。

应用新一代表型分析的主要挑战仍然是数据处理和图像处理,计算机科学的持续贡献对于表型分析的快速发展至关重要。

没有技术可以解决所有的育种问题,因此育种者总是整合所有可用的技术并挖掘他们所有的潜力。

育种者的工具箱已经有很多选择。基因分型,标记辅助筛选,高通量表型分析,基因编辑,基因组选择,从头驯化.这些技术可以根据您的使用方式使用。例如,最流行的基因编辑技术,与常规育种和转基因育种相比,基因编辑技术更加精确,这意味着遗传编辑和繁殖将更快。

Hickey博士说,他们希望整合所有可用的技术,以便在气候变化的背景下更好地适应作物。

气候变化对作物的影响已使农民感到痛苦。在过去的一年里,澳大利亚昆士兰州和新南威尔士州的农民经历了严重的干旱,而北方的农民则经历了大洪水。

Hickey博士表示,他们将在印度,马里和津巴布韦建立这个快速发展的工厂,以快速种植高粱,小米和花生等低收入作物,这些作物对这些地区具有营养和全球食品安全性。很重要。