植物基因工程，憑借其跨物種、高精度、短周期、多基因協(xié)同等優(yōu)勢，已經(jīng)成為驅(qū)動未來作物改良的核心引擎。面對全球人口增長、氣候波動加劇與耕地資源持續(xù)緊張的三重壓力，傳統(tǒng)育種在周期和精度方面的瓶頸日益凸顯。

近日，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究中心主任闕友雄研究員團隊在Advanced Science在線發(fā)表題為Plantgeneticengineering: Technologicalpathways,applicationscenarios, andfuturedirections的長篇綜述論文。該文系統(tǒng)梳理了植物基因工程從技術(shù)平臺到應用場景的完整鏈條，首次從“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學習”（design-building-test-learn, DBTL）的工程化視角，提出了株型優(yōu)化、抗逆提升、產(chǎn)量增強與品質(zhì)改良的系統(tǒng)性策略，并前瞻性地探討了資源創(chuàng)新利用、多基因編輯、表觀遺傳調(diào)控與田間有效性評估等未來方向。

1983年，首例轉(zhuǎn)基因煙草誕生，這是植物基因工程發(fā)展歷程中的一個里程碑。此后四十余年，從農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化與基因槍的隨機整合，到CRISPR/Cas9引導的定點編輯，再到如今堿基編輯、引導編輯、染色體工程等多工具協(xié)同，植物基因工程正從“單基因功能驗證”向“多性狀系統(tǒng)設(shè)計”的新階段。與傳統(tǒng)育種依賴種內(nèi)變異、周期長、預測性差相比，基因工程突破了物種屏障，實現(xiàn)了跨界的基因整合與精準的性狀疊加。

1、系統(tǒng)設(shè)計的“藍圖”：從株型到根系的四維調(diào)控

植物理想株型的構(gòu)建，涉及株高、分蘗/分枝、葉型、根系與莖稈強度的協(xié)同優(yōu)化（圖1）。文中指出，基因調(diào)控（如TRM、PH13、UBP15）與激素通路（GA、BR、生長素）共同構(gòu)成了株高調(diào)控的雙層網(wǎng)絡(luò)。在水稻中，sd1基因通過削弱GA合成實現(xiàn)半矮化，而在甘蔗中過表達ScGA20ox則可顯著促進株高與光合效率。分蘗調(diào)控方面，MOC1與RCN127形成“激活-去抑制”模塊，而微生物群系（如Roseateles）也可通過SL信號通路影響分蘗。根系工程則聚焦“深、密、省”的構(gòu)型理想型，OsPTR9、OsRBOHE、OsAUX系列等基因在氮高效吸收、根毛發(fā)育與養(yǎng)分脅迫響應中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖1.作物株型調(diào)控

2、抗逆工程：從“單基因”到“多環(huán)境”驗證

植物病害、蟲害與干旱、鹽堿、極端溫度等非生物脅迫共同挑戰(zhàn)，促使抗逆育種從性狀的“溫室驗證”走向耐久性的“田間評估”（圖2）。單一抗性基因在田間往往因病原體快速進化、環(huán)境因子波動及代謝代價而失效。該問題的解決之道在于基因堆疊與多基因編輯：例如，在水稻中聚合Piz-t與Pik-h可顯著提升稻瘟病抗性。在病毒抗性方面，RNAi與hpRNA策略已實現(xiàn)對多種水稻病毒（RBSDV、SRBSDV、RSV、RRSV）的近免疫抗性。而在真菌與細菌抗性中，PTI-ETI雙通路、MAPK級聯(lián)與WRKY轉(zhuǎn)錄因子，構(gòu)成了核心調(diào)控骨架。值得注意的是，ROS不僅是有害分子，在適度水平下，還可作為逆行信號激活系統(tǒng)抗性，這一“損傷-信號-適應”的轉(zhuǎn)化機制，為抗逆育種提供了全新的理論支點。

圖2 作物抗性改良

3、產(chǎn)量提升：“源-流-庫”的系統(tǒng)工程

產(chǎn)量是源（光合產(chǎn)物）—流（運輸效率）—庫（籽粒容量）三者協(xié)同的結(jié)果（圖3）。在“庫”端，OsCKX2通過降解細胞分裂素調(diào)控穗粒數(shù)，GY3則增強細胞分裂素合成，二者均可顯著提升穗粒數(shù)。在“庫容”方面，OsGW2與OsGS3負調(diào)控籽粒大小，而gs3-1突變體可增加粒長15-20%。在“源”端，VDE過表達加速NPQ誘導與恢復，使水稻CO2同化量提升20-23%；GCGT光呼吸旁路則使光合速率提高13-27%，產(chǎn)量提升11-26%。這些數(shù)據(jù)表明，光呼吸改造與電子傳遞鏈優(yōu)化正成為突破產(chǎn)量瓶頸的新前沿。

圖3 作物產(chǎn)量提升的“源-庫-流”模型

4、品質(zhì)改良：“營養(yǎng)”-“感官”-“加工”

營養(yǎng)、感官與加工，是個品種改良的三重升級（圖4）。在營養(yǎng)品質(zhì)方面，“黃金大米”通過psy1-crtI-lcy多基因途徑在胚乳中重建β-胡蘿卜素合成通路，成為經(jīng)典案例。賴氨酸與鐵鋅的生物強化，則依賴于DHDPS/AK反饋抑制解除與NAS-YSL運輸鏈的協(xié)同調(diào)控。感官品質(zhì)上，SPS與TST調(diào)控糖分積累，AAT與TPS塑造果香與花香，而PG/EXP/PME的抑制則可延遲軟化、延長貨架期。加工品質(zhì)方面，GBSSI與Wx的編輯可精準調(diào)控直鏈淀粉含量，F(xiàn)AD2的敲除則產(chǎn)生高油酸（>80%）且氧化性能穩(wěn)定的油脂。

圖4 作物品質(zhì)改良

5、未來展望：從“描述”走向“設(shè)計”

該綜述為植物基因工程從“單基因研究”轉(zhuǎn)向“系統(tǒng)化、智能化、可預測的作物設(shè)計”提供了理論框架，并提出了未來的四個關(guān)鍵方向：（1）野生資源的創(chuàng)新利用：借助泛基因組、ATAC-seq與AI輔助的基因發(fā)現(xiàn)，將野生近緣種中的抗逆、優(yōu)質(zhì)等位基因精準回遷至現(xiàn)代品種；（2）多基因共轉(zhuǎn)化與同步編輯：通過“2A肽”、BIBAC載體與PrimeRoot系統(tǒng)，實現(xiàn)10 kb以上大片段精確插入及13個位點的同步編輯；（3）表觀調(diào)控的可控性與穩(wěn)定性：dCas9-DNMT3A/TET1等表觀編輯工具正在優(yōu)化，有望實現(xiàn)可遺傳的“應激記憶”；（4）風險-收益矩陣與田間耐久性評估：從人類健康、環(huán)境生態(tài)、基因組完整性與農(nóng)藝穩(wěn)定性四個維度，建立貫穿DBTL循環(huán)的驗證體系。未來，隨著遞送/再生瓶頸的突破、定量調(diào)控元件的豐富以及染色體工程的發(fā)展，植物基因工程有望真正實現(xiàn)從“描述”到“設(shè)計”的跨越，為全球糧食安全與可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供堅實的技術(shù)底座。

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究中心/熱帶生物技術(shù)研究所王裴林副研究員為該論文的第一作者，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究中心主任/中國熱帶作物學會遺傳育種專業(yè)委員會主任/海南省甘蔗學會理事長闕友雄研究員為通訊作者。甘蔗中心王文治、王東姣和吳期濱參與論文撰寫。研究獲國家熱帶農(nóng)業(yè)科學中心科技創(chuàng)新團隊、熱帶作物生物育種全國重點實驗室、國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等聯(lián)合資助。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202521040

“甘蔗育種技術(shù)與方法”團隊介紹

學術(shù)帶頭人闕友雄，男，1980年2月，理學博士，二級研究員，南京農(nóng)大/福建農(nóng)大/海南大學等博士生導師，國家神農(nóng)青年英才、省級B類高層次人才和省杰青獲得者，熱帶作物生物育種全國重點實驗室甘蔗創(chuàng)新部牽頭人/PI。以育種“方法研究”和“技術(shù)開發(fā)”為切入點，長期從事甘蔗生物育種研究并取得重要進展，為推進新一代甘蔗品種選育奠定了重要的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，工作被西班牙Miguel A. Botellaji教授亮點評述，并受邀在國際權(quán)威期刊撰寫前言綜述與亮點評論。研究獲國家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系“甘蔗育種技術(shù)與方法”崗位科學家、國家自然科學基金（5項）、農(nóng)業(yè)部“948”計劃、國家重點研發(fā)、中央引導科技專項、省杰青等持續(xù)資助；以第一作者或通訊作者在Adv Sci、PBJ、MP、Cell Res、New Phytol、Plant J、PCE、Field Crops Res、Crop J、Trends Plant Sci、Trends Microbiol和《作物學報》等發(fā)表論文120余篇，其中SCI收錄100余篇，封面導讀1篇、封面文章3篇，高被引11篇，被引6600余次，H-index為47；入選全球前2%頂尖科學家榜單；主編著作2部，參編5部，獲授權(quán)專利40余件，制定標準7項，獲省級科技進一步等獎（1項）和中國熱作學會成果獎（2項）；受聘Trop Plants執(zhí)行主編；BMC Plant Biol副主編；《作物學報》和BMC Genom等編委；國家科技獎勵等評審專家；培養(yǎng)省級以上青年人才5人，博碩士研究生60余人。團隊由吳期濱、王裴林、王東姣、張媛媛、趙婉瑩、曾真等青年科學家，林佩霞、林維蔚和李雪等科研助理，以及30余名博碩士研究生組成。聚焦育種方法創(chuàng)新和技術(shù)開發(fā)，系統(tǒng)深入開展性狀精準評價、關(guān)鍵基因挖掘、高效定向改良、優(yōu)異種質(zhì)創(chuàng)制和突破性新品種培育等工作，已成長為國內(nèi)外“甘蔗育種技術(shù)與方法”領(lǐng)域最活躍的優(yōu)勢團隊。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究中心誠邀廣大有志于甜蜜甘蔗事業(yè)同仁的合作與加盟！