优胜劣汰:植物育种的过去、现在和未来

优胜劣汰:植物育种的过去、现在和未来

选择性育种并不是什么新鲜事;人类已经这样做了几千年。今天,植物育种是由人类历史上对遗传学和生物工具最先进的理解所推动的,而科学家们仍然有更多的技巧

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干旱等极端天气正在威胁粮食安全。

超过5亿小农生产的粮食约占世界粮食供应的三分之一。他们面临独特的挑战,需要量身定制的解决方案。

拜耳小农养殖伙伴关系主管

2022年6月1日,星期三,上午9:55

你盘子里的胡萝卜可能看起来是世界上最简单的东西——它是一种耐久的根,世世代代滋养着从国王到农民的人类。尽管看起来不起眼,但普通的胡萝卜——又长又橘色又脆——实际上只是基因工程项目的一个成果,该项目已经进行了一万年。在野生环境中,胡萝卜小而白,根细而分叉,味道浓郁。只有经过几个世纪对优良性状的选择性育种,我们才有了今天看到的胡萝卜。

事实是,我们认为理所当然的大量水果和蔬菜从一开始就不是这样的。这些都是人类农业伟大历史的结果,在这个历史中,我们的史前祖先有条不紊地识别出具有理想特征的植物——最大的、最美味的或最抗疾病的——并进行杂交。

虽然从个人角度来看,这些变化可能很小,但随着时间的推移,这个过程已经从根本上重塑了我们吃的东西。想想芸苔科植物——这种经过几个世纪精心培育的单一植物为我们提供了羽衣甘蓝、西兰花、球芽甘蓝、花椰菜、卷心菜和萝卜。

尽管这一切都很了不起,但故事远未结束。

现代的问题……

史前的农学家们做出繁殖的决定是为了适应他们的环境。在食物匮乏的时候,让玉米穗更有营养、更耐寒可能是在漫长而寒冷的冬天里生与死的区别。当然,这些农民对这一过程背后的遗传学没有科学的理解。由于基因在分子水平上以不可预测的方式相互作用,作物改良缓慢且产生随机结果。从那时起,文明和科学取得了长足的进步,但我们也面临着一系列的挑战。

“世界人口在增长,气候区域在不断变化;在这种情况下,疾病和昆虫给植物带来了更大的压力。我们需要科学的答案来解决这些问题。拜耳公司产品设计主管Jonathan Jenkinson说

还有一个商业需求的小问题。不需要作物科学家就能指出,无论什么季节,我们都喜欢购买味道更好、看起来可以食用、在货架上放得更久的东西。拜耳蔬菜分析和管道设计主管汤姆•奥斯本表示:“可能对你盘子里的食物影响最大的是一年四季种植和运输水果和蔬菜的能力。”

作为回应,农业科学家和植物育种家继续创新,创造出适应世界各地不同生长条件的作物品种,这些作物更有营养,更能抵御干旱、疾病和其他形式的环境压力,而且更漂亮、更美味。

需要现代化的解决方案

但与过去的农民不同的是,今天的植物科学家有大量的工具可供使用,他们正在使用这些工具来改变我们进行植物育种的方式,以改善食物供应。

拜耳每年都在玉米、棉花、大豆和蔬菜领域部署500多个新的杂交品种和品种

表现型

传统上,农民培育植物的过程是表现型的。表现型是指评估一种植物的表达性状,然后选择所需的植物和种子。实际上,这意味着从视觉上识别植物内部的差异——例如,选择理想的颜色、大小或果实数量。

植物通过自己或彼此授粉来繁殖,所以传统的农学家所需要的只是种植最健康的作物的种子,然后它们就会生长,并互相施肥,导致新一代的植物具有父母所包含的一系列遗传特性。虽然选择性育种是一门不精确的科学——由于育种者对起作用的遗传机制的知识有限,往往会产生随机的结果——但随着时间的推移,它导致了显著改进的产品。然而,由于基因测序的引入,传统的植物育种在过去15年里发生了重大变化。

基因分型

现在,我们不仅可以通过表现型看到育种的结果,我们还可以看到DNA结构发生了什么变化,并知道为什么这些变化会在基因水平上发生在植物中——这被称为基因型。由于最近基因科学的发展(为了了解人类遗传学和健康,基因技术在三十年里迅速改进),绘制人类、动物、植物和所有生物的DNA比以往任何时候都要更快、更便宜。

这意味着科学家们现在正在使用技术来识别植物内部的单个基因,让他们深入了解到底是哪些DNA簇负责某些特征和特征。这给了科学家们前所未有的能力,为特定的环境和市场开发种子品种。

想要一种特别能抵抗干旱的玉米吗?多亏了基因分型技术,植物育种家可以进入并识别出DNA链的哪些部分可以产生抗性,然后只培育具有这些基因的种子。育种者可以选择这些种子,并作为一个独立的或产品分发它们。

基因编辑

基因编辑有可能解决农民和地球面临的真正挑战,比如减少对农药的需求以及能源、土地和水的使用。在农业中,这一过程通常着眼于改善生物体内有益的性状,或去除有害的性状。多年来,“基因编辑”是通过植物的选择性育种来完成的。但现在我们可以比以往任何时候都更精确地做出改变。

像CRISPR这样的基因编辑工具已经在帮助研究人员改进植物DNA。这些工具有可能为农民提供无与伦比的精确度,使他们能够种植足够的粮食,同时自信地减少自然资源的使用。同样需要注意的是,尽管植物育种是基因工程的一种形式,但它与基因改造(GM)并不相同。

数据分析

这不仅仅是关于种子本身。再加上数据收集和分析方面更广泛的技术进步,基因选择和新作物进入农田并出现在你的餐桌上的过程比以往任何时候都更高效。乔纳森·詹金森(Jonathan Jenkinson)说:“如果我们今天能利用数据更好地决定在冬季生产哪种玉米杂交品种,就能更快地开发出新的商业产品。”

对他来说,他花了多年时间在植物育种项目的现场工作,结果是显著的。“当我开始实地调查时,我不得不把每个地块的种子都保存起来,放进一个袋子里,然后把它带回我们设施所在的建筑。这意味着要用手搬运大约30吨种子,每个小袋子重3公斤。当然,这大大减缓了产品上市的时间。”

由于现代数据捕获和分析技术的发展,今天的情况完全不同了——这对正在寻找解决方案的全球农民来说是个好消息。乔纳森说:“在过去30年里,它的上市时间可能从11到13年下降到6或7年。”

随着社区继续与贫困、饥饿和营养不良作斗争,扩大拜耳全球育种资源的覆盖范围和影响力是我们的责任。我们通过多种方式来实现这一目标,但其中最主要的是我们在外部开展工作的方式,以改善全球农民可获得的种子,包括旨在知识共享的伙伴关系,以及种质和数据贡献。

为什么合作是关键

几个世纪以来,植物育种的创新促进了文明的繁荣。不断改进种子,以种植更有韧性、高产、更有营养的作物,仍然是农业对抗饥饿和支持为世界各地社区提供粮食的农民的最有力工具之一。拜耳利用尖端育种技术和庞大的种质库开发作物。而且,即使有市场领导者的资源,农业面临的挑战也不能仅靠一个人来解决。拥有多样化的种质资源——为了植物育种和保存而保存的种子或植物组织等活的遗传资源——在开发新的种子品种时加以利用,使植物育种家更成功地解决全球农民面临的问题——这就是合作的意义所在。

这就是拜耳向世界各地的其他研究项目提供种质和遗传特性数据的原因。这笔捐赠旨在促进将未充分利用的遗传多样性纳入现代玉米育种计划,包括帮助根据区域需求为小农改善区域作物的组织。

捐赠种质资源并不是拜耳的唯一合作方式。自2020年以来,拜耳与国际热带农业研究所合作启动了现代育种项目,重点是实现木薯、玉米、豇豆、香蕉、山药物和大豆的作物韧性和产量潜力,以支持非洲农业的作物生产力、经济增长和减贫。

该项目利用拜耳育种项目模型和最佳实践的见解来建设能力和规模。拜耳小农养殖伙伴关系主管Stella Salvo说:“我们在利用研究和产品开发方面的共同目标是为粮食安全提供新的解决方案,增强非洲科学家和农民的权能,支持非洲在动态粮食系统中发展新的工作方式,以应对气候变化带来的重大挑战。”“我们的拜耳育种团队致力于分享育种项目管理、设计和使用数字工具的最佳实践,这将支持IITA的研究重点和产品输出。”

繁殖的故事在继续

这还不是全部。目前,作物科学家们认为,借助基因组技术,他们正从第三代育种进入第四代育种。我们的目标是建立更美味、可持续和高产的作物,从地面上对气候变化的抵御能力更强。科学家们他们会通过利用基因编辑技术的定向能力来做到这一点。

乔纳森说:“我想说,育种的第四个时代将是拜耳所谓的精确育种。”“我们已经非常善于发现最佳特质;这是我们在过去30年里不断完善的。但精确育种试图从根本上改变整个方法。我们正在进入一个从一开始就能真正设计出最好的东西的时代,而不是选择最好的特质。”

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类别: 创新与技术