中國網/中國發展門戶網訊 近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所許操團隊發布了“環境智能型高產-穩產作物育種新策略CROCS(Climate-responsive optimization of carbon partitioning to sinks)”，該項研究進展于北京時間2024年12月14日在國際頂尖雜志Cell發表，題為“Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”。這是我國在高產穩產作物育種核心技術上取得的重大突破。

該項研究基于植物生理學經典理論-源庫理論，即植物體內光合產物（如碳同化物蔗糖）從“源”器官（如葉片）向“庫”器官（如根、莖、果實、種子等）的運輸與分配過程。該理論在作物生產實踐中發揮了重要指導作用，“增源、擴庫、暢流”一直是作物栽培和作物育種中實現高產穩產的根本。

許操研究員帶領的智能設計育種科技攻關團隊聚焦番茄細胞壁蔗糖轉化酶(Cell wall invertase, CWIN)這類源庫關系調控的關鍵樞紐基因，突破高效基因敲入技術難題，為CWIN基因植入熱響應元件分子開關，使作物獲得了感應溫度變化自動“擴庫暢流”的能力。

在溫室、大棚、露地等不同栽培模式條件下的多年多點單產測試發現，順境條件下，該方法可使番茄產量提高14-47%；高溫逆境下，該方法培育的番茄種質比對照增產26-33%，可挽回高溫脅迫造成的56.4%-100%的產量損失，而且改良后的番茄果實均一度、糖度等品質性狀在相應條件下顯著提高。

通過關鍵技術拓展，研究團隊進一步在單子葉植物水稻中測試CROCS育種策略在高產穩產育種中的應用潛力。經過多年多點水稻單產測試表明，順境條件下，該方法可使水稻產量提高7-13%，高溫逆境下，HSE精準敲入的水稻品種比對照增產25%，可挽回高溫脅迫造成的41%的稻米產量損失。

許操團隊發布的CROCS環境智能育種全新策略建立了包括順式調控元件篩選、靶向位點選擇、瞬時表達驗證、基因編輯器改造、種質測產與性狀評價等一系列方法在內的高產穩產快速育種技術體系，首次在主要糧食和蔬菜作物中同時實現了“順境增產，逆境穩產”環境智能型作物種質的快速創制，是不同作物通用的高產穩產快速育種技術體系，開啟了環境智能型(Climate-smart)高產穩產作物育種的新時代。該研究開辟了環境智能精準設計育種新路徑，為突破作物高產穩產育種瓶頸，搶占農業生物育種科技制高點，保障我國糧食安全提供全新育種策略。

過去幾十年的生命科學基礎研究已經鑒定出許多響應生物與非生物脅迫、養分吸收與利用以及共生微生物的順式調控元件。這些順式調控元件能夠響應多種脅迫，如高溫、低溫、干旱、鹽堿、光照、病原體侵害以及養分缺乏等。該系統為精準敲入環境感應分子開關，培育順境高產逆境穩產的氣候韌性作物鋪平了道路，同時也為植物發育環境適應機制的基礎研究提供了高效的基因編輯工具和可行的技術體系。

高產穩產番茄和水稻新種質

中國科學院遺傳與發育生物學研究所許操研究員為該文章的通訊作者，博士研究生婁煥昌，助理研究員黎舒佳為文章的共同第一作者，研究得到了李家洋院士、黃學輝教授、何祖華院士的指導和大力支持。