楊新萍，于媛，許操

重新設(shè)計(jì)與快速馴化創(chuàng)造新型作物

楊新萍1,3，于媛1,2,3，許操1,3

1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，植物基因組學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，種子創(chuàng)新研究院，北京 100101 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 中國科學(xué)院–英國約翰英納斯中心植物和微生物科學(xué)聯(lián)合研究中心，北京 100101

作物馴化和遺傳改良對于產(chǎn)量性狀的過分追求常導(dǎo)致其抗逆性和遺傳多樣性的降低，在全球氣候變化加劇和自然災(zāi)害頻發(fā)的大背景下，該效應(yīng)使得世界糧食穩(wěn)產(chǎn)和食物安全面臨威脅，亟需創(chuàng)新育種策略。作物重新設(shè)計(jì)與快速馴化是指選用耐逆、品質(zhì)營養(yǎng)等性狀或其他目標(biāo)性狀優(yōu)異的野生或者半野生植物，綜合運(yùn)用基因組學(xué)、基因編輯和合成生物學(xué)等方法，對其農(nóng)藝性狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在保持其原有優(yōu)異性狀的前提下，快速馴化獲得新型作物的全新育種策略。本文回顧了作物馴化的發(fā)展歷程及其對農(nóng)業(yè)發(fā)展和人類文明的貢獻(xiàn)，著重闡述了育種策略創(chuàng)新的緊迫性，并對作物重新設(shè)計(jì)與快速馴化創(chuàng)造新型作物的可行性、最新進(jìn)展和發(fā)展前景進(jìn)行探討和展望。

作物重新設(shè)計(jì)；快速馴化；野生資源；基因編輯

農(nóng)作物的栽培與馴化是農(nóng)業(yè)文明起源的重要標(biāo)志?！吨軙酚涊d：“神農(nóng)之時(shí)，天雨粟，神農(nóng)遂耕而種之。作陶冶斤斧，為耒耜鉏蓐，以墾草莽。然后五谷興助，百果藏食”。在漫長的馴化選擇歷程中,作物逐漸失去了其野生祖先種的遺傳和生理特征，最終形成高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)代栽培種。馴化是一個(gè)復(fù)雜的進(jìn)化歷程，是一種生物的繁殖逐漸受到另一種生物的利用與掌控的過程。馴化與人類生存與社會發(fā)展息息相關(guān)，通過對野生動植物進(jìn)行有目的的改變，人類可以穩(wěn)定地獲取食物以果腹維生，制作衣服以御寒蔽體，制造飼料以飼養(yǎng)家禽家畜[1]。馴化大約開始于13 000~10 000年前的新石器時(shí)代，是人類文明發(fā)展史上的里程碑事件。自此，人類逐漸由采集狩獵為主的生活方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榫廴憾?、栽培養(yǎng)殖的農(nóng)耕生活[2]。安定的農(nóng)耕生活加之充足的食物，使得人口密度大大提高進(jìn)而催生了階級結(jié)構(gòu)，大量的勞動力從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中解脫出來，從事其他工作，由此產(chǎn)生社會分工及人類社會的雛形。因此，馴化是人類智慧的體現(xiàn)，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展的源動力，在一定程度上促生了農(nóng)業(yè)文明。

將野生植物馴化成農(nóng)作物是人類馴化活動的主要目標(biāo)之一。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中種植的主要農(nóng)作物，如水稻(L.)、玉米(L.)、小麥()、棉花()、高粱()和番茄()等，都是由早期人類從自然界的野生植物中選擇和馴化而來[2,3]。目前約有160個(gè)科的2500種植物被人類馴化，其中250種植物已被完全馴化[4]。人們發(fā)現(xiàn)，不同作物在從野生種到栽培種的馴化過程中，盡管作物本身形態(tài)和起源地千差萬別，但它們的生長勢、生物量、繁殖能力、產(chǎn)量和品質(zhì)等重要農(nóng)藝性狀在被馴化時(shí)往往具有很多相似之處或具有類似的選擇趨勢，這種重要農(nóng)藝形狀控制位點(diǎn)/基因在馴化時(shí)受到平行選擇的現(xiàn)象稱為“馴化綜合征”(domestication syndrome)[5,6]。當(dāng)完成最初的馴化后，作物被人為地?cái)U(kuò)散到不同的地域。部分農(nóng)藝性狀受到持續(xù)一致的選擇，而有些性狀卻因當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件和文化習(xí)慣不同，受到進(jìn)一步的適應(yīng)性選擇，逐漸形成不同的地方品種。因此，作物品種的多樣性往往與地域自然環(huán)境和人文環(huán)境密切相關(guān)，人類對作物的需求也伴隨著社會發(fā)展和文明進(jìn)步而持續(xù)更新。

1 社會發(fā)展和人類進(jìn)步對作物提出更高要求

農(nóng)業(yè)是人類文明的基石，農(nóng)作物的更新?lián)Q代往往與人類文明發(fā)展和社會生產(chǎn)方式的變革同步。20世紀(jì)40年代起，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化和化學(xué)合成技術(shù)等工業(yè)文明成果的日臻成熟和推廣應(yīng)用，作物品種也隨著第一次綠色革命的興起而實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代，這使得以大規(guī)模單一品種的機(jī)械化種植，化肥及殺蟲劑、除草劑等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用為特征的農(nóng)業(yè)模式替代了傳統(tǒng)的小范圍農(nóng)耕模式。這一變化一方面大大提高了全球糧食產(chǎn)量，在一定程度上緩解了全球饑餓問題；另一方面深刻地改變了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。高產(chǎn)作物品種對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理方式的高度依賴，使得農(nóng)作物能夠在擁有現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施的、貧瘠的地區(qū)進(jìn)行種植，這大大拓寬了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范圍；然而，高產(chǎn)品種的單一化、同質(zhì)化種植使得不同地區(qū)的區(qū)域性品種逐漸消失，削弱了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和物種遺傳的多樣性，降低了對病蟲害的耐受力。如印度在綠色革命前約有3000個(gè)水稻品種，而現(xiàn)在廣泛種植的則僅約10個(gè)[7]。更為嚴(yán)峻的是，集中化的種植方式加劇了病蟲害的傳播，而殺蟲劑等農(nóng)藥的過度施用則又提高了病蟲害的耐藥性，同時(shí)也對土壤、水系造成了極大的污染[8]。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類社會逐步進(jìn)入以信息革命、人工智能為特征的智能文明時(shí)代。技術(shù)的革新與進(jìn)步，對農(nóng)作物自身的特質(zhì)也提出了新的要求，例如，當(dāng)前作物是否能適應(yīng)現(xiàn)代社會及未來智能社會的數(shù)字化、智能化、信息化的生產(chǎn)方式？是否具備更高的環(huán)境適應(yīng)性以應(yīng)對全球氣候變化？更為重要的是，隨著物質(zhì)文明的極大豐富和生活水平大幅度提高，人們開始對食物安全、食物的外觀、口味及營養(yǎng)多樣性提出更多維度和個(gè)性化要求。但是，越來越多的研究結(jié)果表明，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中廣泛種植的栽培種所含的微量營養(yǎng)物質(zhì)較低，有可能是因長期馴化及育種過程中單方面追求高產(chǎn)導(dǎo)致了相關(guān)基因的丟失所造成的[9]，而有限的種質(zhì)資源和遺傳多樣性進(jìn)一步限制了對現(xiàn)有品種的遺傳改良。同時(shí)，隨著人們的食品安全意識日漸提高，人們對天然、綠色、安全食品的需求也與日俱增，這也對高度依賴化肥農(nóng)藥的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式及該模式下的農(nóng)作物品種提出了更高要求。大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的來臨對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式及作物品種提出了新的要求，將引導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從機(jī)械化向智能化轉(zhuǎn)變。當(dāng)前人工智能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了初步成效，它通過貫穿于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)階段的智能控制對農(nóng)作物生長進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，解放了勞動力，降低了農(nóng)業(yè)勞動強(qiáng)度，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率；而通過對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)信息指標(biāo)進(jìn)行收集、分析與處理，可以建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)信息庫，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更深層次的反饋指導(dǎo)調(diào)節(jié)[10]。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的變革亟需與之匹配的新型作物，培育和創(chuàng)造能夠兼容智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的、滿足人們生活多樣化需求的、環(huán)境友好型的“智能作物”，這已經(jīng)成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

2 全球氣候變化呼喚新型作物

自18世紀(jì)中葉工業(yè)革命以來，人類活動特別是發(fā)達(dá)國家工業(yè)化進(jìn)程中的經(jīng)濟(jì)活動，如化石燃料燃燒、森林大面積砍伐等，致使全球氣候發(fā)生急劇變化。全球氣候變化問題已然成為21世紀(jì)人類面臨的最大的環(huán)境問題，也是人類面臨的最復(fù)雜的挑戰(zhàn)之一[11]。據(jù)美國氣象學(xué)會發(fā)布的2017年氣候變化報(bào)告稱，自1901年起，全球氣溫平均每世紀(jì)升高0.7℃，從1975年起開始，該數(shù)據(jù)升高至1.5~1.8℃，持續(xù)的全球變暖趨勢將導(dǎo)致氣候帶遷移，新病蟲害出現(xiàn)，自然災(zāi)害頻發(fā)[12]，這些均對現(xiàn)有的作物和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)，威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類食物安全。

在全球氣候變化的背景下，我國農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、水資源短缺、農(nóng)業(yè)病蟲害的發(fā)生程度都呈加劇趨勢。氣候變化造成的一系列環(huán)境問題嚴(yán)重威脅著我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及糧食安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，嚴(yán)重干旱造成糧食平均減產(chǎn)15%~25%，大面積洪澇減產(chǎn)要在30%~50%，低溫冷害造成減產(chǎn)20%左右，其中水稻可達(dá)45%。據(jù)預(yù)測，到2030年，我國種植業(yè)產(chǎn)量在總體上因全球氣候變暖將會減少5%~10%，其中小麥、水稻和玉米三大作物均以減產(chǎn)為主(中國政府網(wǎng)，http:// www.gov.cn/govweb/jrzg/2006-05/18/content_284434.htm)。中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值因病蟲害每年損失可達(dá)20%~25%，而農(nóng)業(yè)病蟲害的發(fā)生、發(fā)展以及流行都與氣候條件有著密切的關(guān)系，甚至部分病蟲害的發(fā)生主要取決于氣象條件。另外，氣候變化還可能引起新病蟲害種類的出現(xiàn)，或?qū)е履承┐我∠x害上升為主要病蟲害，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因病蟲害造成的損失變得更為嚴(yán)重[13]。受全球氣候變化的影響，在保持人民消費(fèi)水平持續(xù)增長的前提下，中國未來糧食生產(chǎn)有可能不能滿足糧食需求增長，存在7%~8%的糧食缺口[14]。全球氣候變化對現(xiàn)有作物的耐逆能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對主要糧食和蔬菜作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。因此，培育具有更好的耐逆性和穩(wěn)健性、可以智能響應(yīng)環(huán)境變化的新型作物是人類應(yīng)對氣候變化的必然選擇。

3 培育新型作物亟需創(chuàng)新育種策略

在長期的馴化選擇過程中，只有與“馴化綜合征”相關(guān)的少數(shù)基因受到強(qiáng)烈選擇被保存下來，那些基因組范圍內(nèi)沒有受到選擇的基因位點(diǎn)則由于“選擇牽連”(hitchhiking effect)或“馴化瓶頸”(dom-estication bottleneck)等效應(yīng)嚴(yán)重丟失，致使基因組水平的遺傳多樣性顯著降低[15,16]。野生種則主要依賴于群體內(nèi)部的多樣性和個(gè)體適應(yīng)性在自然環(huán)境中進(jìn)行生存繁衍。與其野生種祖先相比，栽培作物的群體遺傳結(jié)構(gòu)多樣性降低。同時(shí)，因?yàn)槿祟悓ψ魑锾囟ㄐ誀畹倪^分或者片面追求，使得大量被“忽視的性狀”如風(fēng)味營養(yǎng)性狀在馴化選擇中逐漸丟失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)人類丟失了75%的作物多樣性[11]；預(yù)測到2055年，現(xiàn)有的主要栽培作物品種中將有20%的野生種質(zhì)因全球氣候變化而消失[11,16]。作物遺傳多樣性的下降，降低了作物基因資源庫的豐度，使得可以用于遺傳改良的基因池越來越小，限制了優(yōu)異性狀基因資源的發(fā)掘和利用[9]。野生種因具有豐富的基因資源為抗逆育種做出了重要貢獻(xiàn)。以耐逆育種為例：傳統(tǒng)耐逆育種通過挖掘自然遺傳變異，尋找耐逆的數(shù)量性狀位點(diǎn)，通過大規(guī)模雜交將野生種的優(yōu)良性狀通過基因漸滲的方式轉(zhuǎn)移到栽培種中，運(yùn)用分子標(biāo)記輔助選擇方式篩選出高抗、高產(chǎn)的新品種[17,18]。但這種方法耗時(shí)長，一般需要5~10代才能得到理想株系，而且由于連鎖效應(yīng)，非目標(biāo)基因也會轉(zhuǎn)移至回交后代中造成連鎖累贅，損害了作物的品質(zhì)或者產(chǎn)量性狀，常使得耐逆育種“顧此失彼”，難以兼顧產(chǎn)量或品質(zhì)與抗逆性。因此，盡管近年來人們對于植物響應(yīng)生物與非生物脅迫的分子機(jī)制的認(rèn)識不斷加深，但耐逆育種工作一直存在瓶頸，進(jìn)展較為緩慢[19~21]。

轉(zhuǎn)基因育種通過基因工程手段，將目的基因片段導(dǎo)入生物活細(xì)胞DNA中，培養(yǎng)獲得新的種質(zhì)資源。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)跨物種的基因交流，對目標(biāo)性狀改良的針對性強(qiáng)，極大地提高了育種效率，同時(shí)還不涉及到生殖隔離、連鎖累贅等問題[22]。近年來通過轉(zhuǎn)基因的方式過表達(dá)或者沉默一些耐逆相關(guān)基因可以一定程度上提高不同作物的耐逆性[23]，但植物響應(yīng)逆境是一個(gè)非常復(fù)雜的生物學(xué)過程，它不僅涉及細(xì)胞滲透壓、離子脅迫以及由這些脅迫引發(fā)的次生傷害如氧化損傷等，還牽涉植物發(fā)育與脅迫響應(yīng)的整體協(xié)調(diào)，相當(dāng)多的耐逆性狀是多基因、多維時(shí)空協(xié)作調(diào)控的結(jié)果，很難通過轉(zhuǎn)入單基因?qū)崿F(xiàn)作物耐逆性的顯著提升[19,24]。例如，番茄耐鹽性是由多基因控制的，耐鹽基因已被定位在至少7條染色體上，如第1、2、3、7、8、9和12號染色體[25,26]，這在很大程度上限制了番茄耐鹽性狀的轉(zhuǎn)基因改良。目前已知耐逆基因及其多維調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，有的需要過量表達(dá)，有的則需要下調(diào)表達(dá)才能發(fā)揮功效，而同時(shí)轉(zhuǎn)入多基因以及多種表達(dá)調(diào)控模式對于載體構(gòu)建、組織培養(yǎng)、基因轉(zhuǎn)化等轉(zhuǎn)基因技術(shù)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，轉(zhuǎn)基因后代的遺傳穩(wěn)定性也存在不可預(yù)知性。

綜上所述，傳統(tǒng)育種和現(xiàn)有的轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)為作物改良和品種創(chuàng)制做出了重要貢獻(xiàn)，但仍難以滿足人類社會發(fā)展和全球氣候變化對新型作物的迫切需求，亟需創(chuàng)新育種策略以培育智能響應(yīng)環(huán)境變化的新型作物。

4 重新設(shè)計(jì)與快速馴化是全新育種策略

野生植物相較于現(xiàn)有栽培作物普遍具有較強(qiáng)的耐逆性和環(huán)境適應(yīng)力，而且它們往往因旺盛的次生代謝而產(chǎn)生更多的風(fēng)味和營養(yǎng)物質(zhì)?；蚪M學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)等多重組學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得人們對作物馴化的基因組和遺傳學(xué)基礎(chǔ)的認(rèn)識越來越清晰，而基因編輯和合成生物學(xué)等技術(shù)的迅猛發(fā)展使得精準(zhǔn)和快速的基因操作以及代謝流重編程成為可能。根據(jù)人類生產(chǎn)方式和生活方式的需求，以優(yōu)異的野生種質(zhì)為底盤材料，對作物的目標(biāo)性狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在保持野生種天然優(yōu)異性狀的前提下，通過基因編輯、合成生物學(xué)等方法導(dǎo)入目標(biāo)性狀，實(shí)現(xiàn)野生植物的快速馴化是創(chuàng)造新型作物的全新策略 (圖1)。作物的重新設(shè)計(jì)與快速馴化應(yīng)具備優(yōu)異的野生種質(zhì)資源、明確的馴化基因、高效的基因操控技術(shù)等3個(gè)必要條件。

世界范圍內(nèi)存在大量營養(yǎng)風(fēng)味獨(dú)特、能夠在極度貧瘠、惡劣氣候和高度鹽堿化的土地中生長良好的野生種質(zhì)，它們被世界各國的種子資源庫整理收集，為重新設(shè)計(jì)與快速馴化提供了豐富的種質(zhì)資源[27,28]。大量的馴化基因相關(guān)研究表明，野生植物的性狀丟失和栽培作物性狀的獲得往往是由于基因突變所造成的基因功能的喪失、歧化或是新功能獲得的結(jié)果。隨著人們對馴化機(jī)理研究的不斷深入，多種作物馴化的遺傳和分子機(jī)理被解析，一些重要的馴化基因不斷被鑒定出來[29,30]。馴化基因一般具備3個(gè)特點(diǎn)：(1)與馴化性狀之間存在明確的相關(guān)性；(2)在馴化過程中受到強(qiáng)烈的正向選擇；(3)在由一個(gè)群體演化而成的不同種群中幾乎完全喪失了多樣性，具有單一性[4]。如大麥種子產(chǎn)量相關(guān)基因[31]，玉米籽粒裸露相關(guān)基因[32]，水稻籽粒芒結(jié)構(gòu)相關(guān)基因[33]，高粱、水稻、玉米中籽粒脫落相關(guān)基因[34]，以及影響番茄生殖方式基因[35]等。與馴化密切相關(guān)的基因大多為轉(zhuǎn)錄因子和激酶調(diào)控過程中的關(guān)鍵基因，這類基因在植物的生長發(fā)育、結(jié)實(shí)和成熟過程中都起著重要的調(diào)控作用[6,36,37]。作物重要的產(chǎn)量與品質(zhì)性狀大多由少數(shù)幾個(gè)基因控制，這使得利用基因編輯技術(shù)對野生植物進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與馴化成為可能。而馴化基因的鑒定為快速導(dǎo)入產(chǎn)量和品質(zhì)性狀、保持耐逆境性狀、實(shí)現(xiàn)野生植物的重新設(shè)計(jì)與快速馴化提供了豐富的基因資源。

圖1 野生植物的快速馴化與新型作物的重新設(shè)計(jì)模式圖

作物馴化的基因組學(xué)和遺傳學(xué)基礎(chǔ)不斷被解析的同時(shí)，基因編輯技術(shù)也在不斷發(fā)展?；蚓庉嫾夹g(shù)是以特異性改變遺傳物質(zhì)靶向序列為目標(biāo)的技術(shù)，可以對靶基因基因及其調(diào)控選件進(jìn)行定點(diǎn)突變、插入或敲除[38,39]。近年來，鋅指核酸酶(zinc finger nuclease, ZFN)、類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)核酸酶(tran-scription activator-like effector nuclease, TALEN)、規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)(clustered regularly in-terspaced short palindromic repeats, CRISPR)和單堿基編輯(base editing, BE)技術(shù)相繼出現(xiàn)，從第一代DNA核酸酶編輯系統(tǒng)ZFNs、第二代TALENs到第三代CRISPR/Cas9系統(tǒng)，基因編輯效率不斷提高，成本逐漸降低，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。ZFNs、TALENs和CRISPR/Cas9等3種基因編輯技術(shù)都是在基因組靶標(biāo)位點(diǎn)引起DNA雙鏈斷裂(double-strand breaks, DSBs)，進(jìn)而激活細(xì)胞內(nèi)部修復(fù)機(jī)制的基礎(chǔ)上建立的。細(xì)胞內(nèi)DNA雙鏈斷裂的修復(fù)機(jī)制包括易引起隨機(jī)插入、缺失的異源末端連接(non-homologous end joining, NHEJ)和需要同源模板存在才可以激活的同源重組修復(fù)(homology directed repair, HDR)。值得注意的是，CRISPR/Cas9編輯系統(tǒng)與ZFNs和TALENs編輯系統(tǒng)最大的不同之處在于，CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以通過較小的sgRNA靶向特定DNA序列，而不是通過蛋白酶本身與DNA序列結(jié)合。這一特點(diǎn)使得CRISPR/Cas9編輯系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)基因多個(gè)靶位點(diǎn)的編輯。目前在煙草、擬南芥、水稻和番茄等作物中同時(shí)實(shí)現(xiàn)多基因編輯的CRISPR/Cas9系統(tǒng)已研究較為成熟[40,41]。2016年，單堿基編輯技術(shù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了在不引起DNA雙鏈斷裂和無需同源模板情況下的單個(gè)堿基(A-G、T-C)轉(zhuǎn)換，有效地規(guī)避了基于雙鏈DNA斷裂后NHEJ和HDR修復(fù)的基因編輯技術(shù)的不足[42,43]。除了對內(nèi)源基因進(jìn)行定向敲除，CRISPR/Cas9還可以調(diào)控(激活/抑制)靶基因的表達(dá)。失去核酸酶活性的dCas9(dead Cas9)可以作為DNA 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，通過融合具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能的轉(zhuǎn)錄激活因子或抑制因子來調(diào)控基因表達(dá)水平，從而形成一個(gè)研究基因表達(dá)調(diào)控的有效工具[44]?；蚓庉嫾夹g(shù)的進(jìn)步為實(shí)現(xiàn)作物的重新設(shè)計(jì)和野生植物的快速馴化提供了有力的技術(shù)保障。

5 作物重新設(shè)計(jì)與快速馴化進(jìn)展

2018年10月1日，中國、巴西、美國和德國等國科學(xué)家分別在、等雜志同時(shí)發(fā)布了世界首例快速馴化作物及相關(guān)研究成果，引起國際社會和科技界的廣泛關(guān)注[45~47]。其中雜志以“Super-tomato shows what plant scientists can do”為題，雜志以“CRISPR can make old tomatoes, new tomatoes”為題，對番茄重新設(shè)計(jì)與快速馴化研究進(jìn)行了評價(jià)和推介，認(rèn)為這些研究首次通過基因編輯實(shí)現(xiàn)野生植物的快速馴化，為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)造耐鹽堿作物提供了全新策略[48]。植物綜述雜志也刊文“A CRISPR way for fast-forward crop domestication”，指出野生植物的重新設(shè)計(jì)與快速馴化是精準(zhǔn)育種的革命性進(jìn)展[49]。

5.1 快速馴化野生植物創(chuàng)造新型番茄

番茄有16個(gè)野生或近緣野生種，其中野生種12個(gè)，它們在耐逆境、抗病蟲、果實(shí)品質(zhì)、風(fēng)味和營養(yǎng)等方面各具特色[27,28]。為了創(chuàng)新耐逆和營養(yǎng)育種策略，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所許操研究組和高彩霞研究組合作，選用天然耐鹽堿和抗細(xì)菌瘡痂病的野生醋栗番茄()為基礎(chǔ)材料，運(yùn)用基因編輯技術(shù)精準(zhǔn)靶向多個(gè)產(chǎn)量和品質(zhì)性狀控制基因的編碼區(qū)及調(diào)控區(qū)，在不犧牲其對鹽堿和瘡痂病天然抗性的前提下，將產(chǎn)量和品質(zhì)性狀精準(zhǔn)地導(dǎo)入了野生番茄，消除了野生番茄開花的光周期敏感性，突破了栽種的地理范圍限制，實(shí)現(xiàn)了野生植物馴化的第一步。同時(shí)將野生醋栗番茄開花晚、坐果稀的無限生長型(indeterminate)的株型變成了“雙有限”生長型(double determinate)的緊湊株型，提高了坐果率、果實(shí)成熟的同步性和收獲指數(shù)。而對小肽基因及其信號途徑下游基因的順式調(diào)控元件和上游開放閱讀框的編輯使野生番茄果實(shí)變大，維生素C含量升高。鹽處理和瘡痂病菌接種實(shí)驗(yàn)表明，上述重要農(nóng)藝性狀的精準(zhǔn)導(dǎo)入并沒有影響野生番茄的天然抗性。上述研究直接選用天然耐逆性優(yōu)異的野生番茄做底盤材料，避開了復(fù)雜的耐逆性狀，首次通過重新設(shè)計(jì)與快速馴化創(chuàng)制了耐鹽堿、高抗瘡痂病、高營養(yǎng)品質(zhì)的新型番茄[45]。與此同時(shí)，巴西、美國、德國等國家的研究人員合作，運(yùn)用基因編輯技術(shù)對野生醋栗番茄株型、果實(shí)形狀、大小和番茄紅素含量相關(guān)基因進(jìn)行編輯，可以將果實(shí)大小提升3倍，使番茄紅素含量較比傳統(tǒng)櫻桃番茄提高5倍以上，為重新設(shè)計(jì)和快速馴化獲得外觀佳和營養(yǎng)高的番茄提供了范例[46]。

5.2 快速馴化小宗作物創(chuàng)造新型作物

小宗作物(orphan crop)是指分布在較為局限的地區(qū)，并被當(dāng)?shù)厝耸秤玫淖魑?。在世界農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化迅猛發(fā)展，全球化快速推進(jìn)的背景下，隨著小麥、玉米、水稻和番茄等大宗作物的廣泛種植，小宗作物生存空間逐漸縮小甚至消失。然而，這些小宗作物往往具有優(yōu)良的品質(zhì)或營養(yǎng)性狀，并可以在土壤貧瘠、高海拔、高寒旱的惡劣環(huán)境中生長。隨著全球人口增長和環(huán)境惡化，保障食物供應(yīng)一直是很多經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)的首要問題，增加人類食譜的豐富性也是提高生活品質(zhì)的重要目標(biāo)，而這些小宗作物能在與其原產(chǎn)地相似的環(huán)境惡劣地區(qū)依然保持優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)地生長，可見其具有十分廣闊的應(yīng)用潛力。對于我國而言，小宗作物往往極具地域特色和特殊食用或者藥用價(jià)值并因此而衍生出可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對推動鄉(xiāng)村振興和精準(zhǔn)扶貧具有重要意義。很多小宗作物在生物學(xué)上與其他大宗作物親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，它們可能蘊(yùn)藏著其他大宗作物不具有的特殊營養(yǎng)物質(zhì)或者藥用成分，未來可能為人類提供更為豐富的營養(yǎng)和藥用物質(zhì)來源。與大宗糧食和果蔬作物相比，小宗作物相對來說屬于馴化的“半成品”，借助比較基因組學(xué)和基因編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)小宗作物的快速馴化，將豐富現(xiàn)有栽培作物種類，改善人類的食譜，對保障人類食物安全也具有重要意義。

美國冷泉港實(shí)驗(yàn)室的Lippman教授團(tuán)隊(duì)使用基因編輯對小宗作物燈籠果()進(jìn)行了快速馴化。燈籠果具有優(yōu)異的逆境耐受能力，豐富的營養(yǎng)成分和特別的風(fēng)味物質(zhì)，它與番茄、土豆、辣椒、茄子等同屬茄科。通過比較基因組學(xué)分析，研究人員使用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對番茄、和基因的同源基因、和的編碼區(qū)進(jìn)行編輯，對后代進(jìn)行基因型及表型鑒定發(fā)現(xiàn)，和基因不同的編輯形式使得燈籠果花期提前、株型緊湊、產(chǎn)量提高，而編輯基因增加了燈籠果果實(shí)大小。通過上述基因的編輯，改良了燈籠果的食用品質(zhì)和園藝性狀，實(shí)現(xiàn)了燈籠果的快速馴化，為小宗作物的快速馴化提供了范例[47]。

5.3 快速馴化創(chuàng)新育種策略

四倍體馬鈴薯()作為馬鈴薯生產(chǎn)及研究中的主要對象，存在遺傳背景復(fù)雜、基因組高度雜合、育種周期長以及繁殖系數(shù)低、儲運(yùn)成本高、易攜帶病蟲害等缺陷。自然界中70%的馬鈴薯種質(zhì)資源為二倍體，然而卻存在自交不親和的問題。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃三文研究組利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)對馬鈴薯控制自交不親和的基因進(jìn)行了定點(diǎn)突變，獲得了自交親和的二倍體馬鈴薯，并通過自交獲得了不含有外源片段的馬鈴薯新材料，成功地用二倍體替代四倍體，用雜交種子替代薯塊，拓展了自交親和馬鈴薯資源，為馬鈴薯的快速馴化和遺傳改良提供了新策略[50]。

6 結(jié)語與展望

番茄、燈籠果、馬鈴薯等作物重新設(shè)計(jì)與快速馴化的實(shí)現(xiàn)證實(shí)了這一全新育種策略的可行性和廣闊前景。近期，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵教授和德國馬普分子植物生理研究所Alisdair Fernie教授在刊文，重申了“再馴化”(re-domestication)和“重新馴化”(domestication)的概念，對作物重新設(shè)計(jì)與快速馴化的技術(shù)路線和育種策略進(jìn)行了闡述[30]。作者認(rèn)為，快速發(fā)展的現(xiàn)代生物技術(shù)和基因組學(xué)研究驅(qū)動的育種技術(shù)變革正在叩開“設(shè)計(jì)育種”的大門，而將大數(shù)據(jù)和精準(zhǔn)育種與基因編輯技術(shù)相結(jié)合，則有望引發(fā)“第三次綠色革命”。因此，收集和發(fā)掘更多性狀優(yōu)異的野生種質(zhì)資源，進(jìn)一步加強(qiáng)作物基因組學(xué)、代謝組學(xué)等多重組學(xué)研究，鑒定更多馴化基因，將為作物重新設(shè)計(jì)和快速馴化提供更多底盤材料和靶基因；加強(qiáng)植物器官再生和基因轉(zhuǎn)化方面的研究，提高基因編輯技術(shù)的靶向效 率，突破植物基因替換的技術(shù)瓶頸，優(yōu)化合成生物學(xué)及代謝流重編程技術(shù)，將為作物快速馴化提供技術(shù)支撐。

[1] Hancock JF. Contributions of domesticated plant studies to our understanding of plant evolution., 2005, 96(6): 953–963.

[2] Diamond J. Evolution, consequences and future of plant and animal domestication., 2002, 418(6898): 700– 707.

[3] Crawley MJ, Brown SL, Hails RS, Kohn DD, Rees M. Transgenic crops in natural habitats., 2001, 409 (6821): 682–683.

[4] Meyer RS, Purugganan MD. Evolution of crop species: genetics of domestication and diversification., 2013, 14(12): 840–852.

[5] Gepts P. A comparison between crop domestication, classical plant breeding, and genetic engineering., 2002, 42(6): 1780–1790.

[6] Doebley JF, Gaut BS, Smith BD. The molecular genetics of crop domestication., 2006, 127(7): 1309–1321.

[7] Sumberg J, Keeney D, Dempsey B. Public agronomy: Norman Borlaug as ‘Brand Hero’ for the green revolution., 2012, 48(11): 1587–1600.

[8] Hardin LS. Bellagio 1969: the green revolution., 2008, 455(7212): 470–471.

[9] Smykal P, Nelson M, Berger J, von Wettberg E. The impact of genetic changes during crop domestication., 2018, 8(7): 119.

[10] Liakos K, Busato P, Moshou D, Pearson S, Bochtis D. Machine learning in agriculture: a review., 2018, 18(8): 2674.

[11] Wheeler T, von Braun J. Climate change impacts on global food security., 2013, 341(6145), 508–513.

[12] Hartfield G, Blunden, J, Arndt DS. State of the climate in 2017., 2018, 99(8): Si–S310.

[13] Wang CY, Zhao JB, Li X. Research on agriculture adaptation strategy for warming and drying climate in North China., 2006, 29(5): 646–652.王長燕, 趙景波, 李小燕. 華北地區(qū)氣候暖干化的農(nóng)業(yè)適應(yīng)性對策研究. 干旱區(qū)地理, 2006, 29(5): 646–652.

[14] Liu LT, Liu XJ, Lun F, Wu L, Lu CX, Guo JH, Qu TT, Liu G, Shen L, Cheng SK. Research on China’s food security under global climate change background., 2018, 33 (6): 927–939.劉立濤, 劉曉潔, 倫飛, 吳良, 魯春霞, 郭金花, 曲婷婷, 劉剛, 沈鐳, 成升魁.全球氣候變化下的中國糧食安全問題研究. 自然資源學(xué)報(bào), 2018, 33(6): 927–939.

[15] Tanksley SD, McCouch SR. Seed banks and molecular maps: unlocking genetic potential from the wild., 1997, 277(5329): 1063–1066.

[16] Massawe F, Mayes S, Cheng A. Crop diversity: an unexploited treasure trove for food security., 2016, 21(5): 365–368.

[17] Minhas PS, Rane J, Pasala RK. Abiotic stress management for resilient agriculture. Abiotic Stress Management for Resilient Agriculture, Springer, 2017.

[18] Yu SB, Xu WJ, Vijayakumar CHM, Ali J, Fu BY, Xu JL, Jiang Y. Z, Marghirang R, Domingo J, Aquino C, Virmani S S, Li ZK. Molecular diversity and multilocus organizationof the parental lines used in the international rice molecular breeding program., 2003, 108(1): 131– 140.

[19] Luo LJ. Breeding for water-saving and drought-resistance rice (WDR) in China., 2010, 61(13): 3509–3517.

[20] Vinocur B, Altman A. Recent advances in engineering plant tolerance to abiotic stress: achievements and limitations., 2005, 16(2): 123–132.

[21] Witcombe JR, Hollington PA, Howarth CJ, Reader S, Steele KA. Breeding for abiotic stresses for sustainable agriculture., 2008, 363(1492): 703–716.

[22] Sánchez-Martín J, Keller B. Contribution of recent technological advances to future resistance breeding., 2019, 132(3): 713–732.

[23] Shi H, Lee B, Wu SJ, Zhu JK. Overexpression of a plasma membrane Na+/H+ antiporter gene improves salt tolerance in., 2003, 21(1): 81–85.

[24] Wang Z, Yang C, Chen H, Wang P, Wang P, Song C, Zhang X, Wang D. Multi-gene co-expression can improve comprehensive resistance to multiple abiotic stresses inL., 2018, 274: 410–419.

[25] Villalta I, Bernet GP, Carbonell EA, Asins MJ. Comparative QTL analysis of salinity tolerance in terms of fruit yield using two Solanum populations of F7 lines., 2007, 114(6): 1001–1017.

[26] Li J, Liu L, Bai Y, Zhang P, Finkers R, Du Y, Visser RGF, van Heusden AW. Seedling salt tolerance in tomato., 2011, 178(3): 403–414.

[27] Rick C. M. Potential genetic resources in tomato species: clues from observations in native habitats., 1973, 255–269.

[28] Rick CM. Genetic variability in tomato species., 1983, 1(2): 81–87.

[29] ?sterberg JT, Xiang W, Olsen LI, Edenbrandt AK, Vedel SE, Christiansen A, Landes X, Andersen MM, Pagh P, Sand?e P, Nielsen J, Christensen SB, Thorsen BJ, Kappel K, Gamborg C, Palmgren M. Accelerating the domestication of new crops: feasibility and approaches., 2017, 22(5): 373–384.

[30] Fernie AR, Yan J.domestication: an alternative route toward new crops for the future., 2019, 12(5): 615–631.

[31] Komatsuda T, Pourkheirandish M, He C, Azhaguvel P, Kanamori H, Perovic D, Stein N, Graner A, Wicker T, Tagiri A, Lundqvist U, Fujimura T, Matsuoka M, Matsumoto T, Yano M. Six-rowed barley originated from a mutation in a homeodomain-leucine zipper I-class homeobox gene., 2007, 104(4): 1424–1429.

[32] Wang H, Nussbaum-Wagler T, Li B, Zhao Q, Vigouroux Y, Faller M, Bomblies K, Lukens L, Doebley JF. The origin of the naked grains of maize., 2005, 436(7051): 714–719.

[33] Hua L, Wang DR, Tan L, Fu Y, Liu F, Xiao L, Zhu Z, Fu Q, Sun X, Gu P, Cai H, McCouch SR, Sun C., a domestication gene associated with long, barbed awns in wild rice., 2015, 27(7): 1875–1888.

[34] Lin Z, Li X, Shannon LM, Yeh CT, Wang ML, Bai G,Peng Z, Li J, Trick HN, Clemente TE, Doebley J, Schnable PS, Tuinstra MR, Tesso TT, White F, Yu J. Parallel domestication of thegenes in cereals., 2012, 44(6): 720–724.

[35] Chen KY, Cong B, Wing R, Vrebalov J, Tanksley SD. Changes in regulation of a transcription factor lead to autogamy in cultivated tomatoes., 2007, 318(5850): 643–645.

[36] Meyer RS, Purugganan MD. Evolution of crop species: genetics of domestication and diversification., 2013, 14(12): 840–852.

[37] Shang Y, Ma Y, Zhou Y, Zhang H, Duan L, Chen H, Zeng J, Zhou Q, Wang S, Gu W, Liu M, Ren J, Gu X, Zhang S, Wang Y, Yasukawa K, Bouwmeester HJ, Qi X, Zhang Z, Lucas WJ, Huang S. Plant science. Biosynthesis, regulation, and domestication of bitterness in cucumber., 2014, 346(6213): 1084–1088.

[38] Doudna JA, Charpentier E. Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9., 2014, 346(6213): 1258096.

[39] Shalem O, Sanjana NE, Zhang F. High-throughput functional genomics using CRISPR–Cas9., 2015, 16(5): 299–311.

[40] Xing HL, Dong L, Wang ZP, Zhang HY, Han CY, Liu B, Wang XC, Chen QJ. A CRISPR/Cas9 toolkit for multiplex genome editing in plants., 2014, 14: 327.

[41] Lowder LG, Zhang D, Baltes NJ, Paul JW, Tang X, Zheng X, Voytas DF, Hsieh TF, Zhang Y, Qi Y. A CRISPR/Cas9 toolbox for multiplexed plant genome editing and transcriptional regulation., 2015, 169(2): 971–985.

[42] Gaudelli NM, Komor AC, Rees HA, Packer MS, Badran AH, Bryson DI, Liu DR. Programmable base editing of T to G C in genomic DNA without DNA cleavage., 2017, 551(7681): 464–471.

[43] Chen K, Wang Y, Zhang R, Zhang H, Gao C. CRISPR/Cas genome editing and precision plant breeding in agriculture., 2019, 70: 667–697.

[44] Piatek A, Ali Z, Baazim H, Li L, Abulfaraj A, Al-Shareef S, Aouida M, Mahfouz MM. RNA-guided transcriptional regulation in planta via synthetic dCas9-based transcription factors., 2015, 13(4): 578–589.

[45] Li T, Yang X, Yu Y, Si X, Zhai X, Zhang H, Dong W, Gao C, Xu C. Domestication of wild tomato is accelerated by genome editing., 2018, 36(12): 1160– 1163.

[46] Zs?g?n A, ?ermák T, Naves ER, Notini MM, Edel KH, Weinl S, Freschi L, Voytas DF, Kudla J, Peres LEP.domestication of wild tomato using genome editing., 2018, 36(12): 1211–1216.

[47] Lemmon ZH, Reem NT, Dalrymple J, Soyk S, Swartwood KE, Rodriguez-Leal D, Van Eck J, Lippman ZB. Rapid improvement of domestication traits in an orphan crop by genome editing., 2018, 4(10): 766–770.

[48] Super-tomato shows what plant scientists can do., 2018, 562(7725): 8–8.

[49] Khan MZ, Zaidi SS, Amin I, Mansoor S. A CRISPR way for fast-forward crop domestication., 2019, 24(4): 293–296.

[50] Ye M, Peng Z, Tang D, Yang Z, Li D, Xu Y, Zhang C, Huang S. Generation of self-compatible diploid potato by knockout of., 2018, 4(9): 651–654.

domestication to create new crops

Xinping Yang1,3, Yuan Yu1,2,3, Cao Xu1,3

Crop improvement by domestication and traditional breeding often results in fitness penalties and loss of genetic diversity, which greatly threatens crop production and food security under the challenging global climate.domestication has been proposed as a novel strategy for crop breeding. By combining multi-omics, genome editing and synthetic biology approaches, domestication of wild or semi-wild plant species can be accelerated by rapidly introducing desirable traits without causing an associated drag on their inherent traits. In this review, we summarize the history of crop domestication, emphasize the urgency for breeding strategy innovation, and discuss recent progress ofcrop domestication.

crop design; fast domestication; wild species; genome editing

2019-05-28;

2019-07-30

中組部青年千人計(jì)劃項(xiàng)目資助[Supported by the Thousand Younth Talents Program]

楊新萍，博士后，研究方向：基因編輯及作物定向馴化。E-mail: xinping.yang@genetics.ac.cn

于媛，博士研究生，研究方向：基因編輯及作物定向馴化。E-mail: yuyuan@genetics.ac.cn

楊新萍和于媛并列第一作者。

許操，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向：小肽信號與植物細(xì)胞通訊，基因編輯及作物定向馴化。E-mail: caoxu@genetics.ac.cn

10.16288/j.yczz.19-151

2019/8/21 10:04:59

URI: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20190821.1004.002.html

(責(zé)任編委: 嚴(yán)建兵)