“从头驯化”：创造人类所需个性化“新”食物

科普小知识2022-07-16 16:25:12

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你想过你赖以生存的食物是否完美吗？它能满足你对健康营养的需求吗？

华中农业大学植物科学与技术学院/作物遗传改良国家重点实验室教授闫建兵回答说没有

“过去，我们的大部分粮食生产目标是高产高效。然而，随着人们对食物的需求越来越多样化和个性化，传统的农业生产方式也带来了许多挑战。未来的粮食生产目标应该是根据人们的个性化需求供应粮食。严建兵希望在确保粮食安全的基础上，对一些新作物进行改良或“设计”，以更好地满足未来人们对粮食的个性化需求。

重新组装和驯化新作物

如何制作完美和个性化的食物？严建兵提出了半驯化作物“再驯化”和新作物“再驯化”的解决方案。

研究表明，在过去的12000年里，人类食用的大多数农作物和蔬菜都是由野生植物的祖先驯化的。在现有的40多万株植物中，只有不到100株被驯化成今天可以种植的作物。然而，人类70%的能量来自谷物，仅来自15种作物，其中玉米、大米和小麦占50%。

“我们可以从许多野生和半野生植物中驯化一些更符合人类未来需求的新作物，同时为世界日益严重的粮食问题提供新的解决方案。”严建兵说道。

在过去10，000多年里，作物驯化和改良的历史经历了农民和育种者基于优势性状的“定向”选择，第一次绿色革命以作物矮化技术和农药、肥料和农业机械的使用的突破为代表，第二次绿色革命以转基因和分子育种等生物技术为基础。

目前，基因编辑技术和大数据技术的突破为人类“设计育种”打开了大门，农业“第三次绿色革命”正在形成。

闫建兵解释说，未来农业生产面临许多挑战，如滥用农用化肥造成的环境污染和农业的不可持续发展。对水资源的巨大需求；农业生产将面临更加极端的气候变化，包括干旱、高温、寒冷和盐碱地。大多数作物缺乏人类必需的微量营养素。由于作物生产效率低，“依靠天气吃饭”的性质没有改变。

从根本上改变粮食生产方式，从需求方面考虑作物设计，采用条件可控的工业化生产方式，可能有助于解决这些问题和挑战。

在他看来，基因编辑和大数据挖掘的结合使得精确设计育种成为可能。在驯化和改良过程中，利用大量已知模式植物和主要作物积累的大量知识，可以指导新作物的再驯化，“就像积木一样，你可以组装成你想要的任何东西，比如为糖尿病患者提供糖转化率低的谷物。”

事实上，农作物的驯化过程非常缓慢。今天，人工选择用了几千年、几万年才获得我们的作物，而知识驱动的“从头驯化”理论只需要几年时间。

“再驯化的优势在于它可以直接利用已经适应种植环境的半驯化物种。从头驯化可以通过人类选择和基因组编辑等传统技术来实现。”严建兵说道。

然而，这也意味着找到适合“编辑”的野生或半野生植物是最关键的一步。同时，挖掘和分析影响作物显性性状(高产、高营养价值、高效固氮、高水分利用率等)的关键功能基因。)也被认为是实现作物“再驯化”和“重新驯化”的重要课题。

建立“生产线”鉴定玉米功能基因

如何将这个想法变成现实？除了候选种的确定，严建兵还提出了实现新作物“从头驯化”的关键步骤:驯化关键基因的鉴定，通过基因编辑等技术将野生植物快速转化为驯化作物；确定目标有益性状调控网络，利用基因编辑等技术实现目标性状基因网络的精确调控；提供具有不同有益特性的个性化作物，以满足不同人群的不同需求。

作为一个拥有数十年玉米遗传育种和基因分析研究历史的团队，严建兵等科学家从实现玉米复杂数量性状的遗传分析开始。

联合国粮食及农业组织的数据显示，玉米的播种面积、单位产量和总产量都超过了水稻和小麦。因此，玉米产量的遗传改良对于确保世界和中国的粮食安全至关重要。

作物驯化和改良的历史告诉我们，从野生植物到栽培作物，尽管它们的外观发生了很大变化，但实际上只有少数关键基因发生了变化。玉米只需要5-6个关键基因就可以从野生杂草变成人类驯化的栽培作物。然而，几千年来对农艺和品质性状如产量的不断改进，只有大约1200个基因得到了改进，约占总基因组的3%。

"挖掘控制重要性状的基因是作物遗传改良的前提和理论基础."华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室教授张祖新对《中国科学日报》表示，自2009年以来，玉米基因组测序已经完成并持续改进。他们的团队最近证实了一个编码丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的基因KNR6，该基因通过影响每穗小花数、穗长和每行籽粒数来控制玉米产量。

然而，玉米基因组庞大而复杂、可稳定转化的菌株有限、靶向性和特异性低、转化效率低等问题也是制约玉米产量功能基因研究的重要问题张祖新说。

如果我们有玉米基因组的大量数据，那么适应新作物的过程将大大加快，而不是像我们的祖先那样经历10，000多年。

锋利的工具能做好工作。CRISPR/Cas9基因编辑技术和大数据技术是玉米专家手中的“利器”。

近年来，CRISPR/Cas9系统以其很高的靶向性和特异性、操作简单快速等特点，被广泛应用于各种物种的基因编辑，并实现了水稻和大豆大规模突变体资源的创造。

“然而，这些大规模的基因编辑研究主要使用CRISPR/Cas9作为传统突变方法的替代品。对于如何完善从靶设计到突变序列检测全过程的高通量系统，以及这一新兴技术应用后如何降低成本、挖掘基因组影响规律，目前仍缺乏深入研究。”严建兵说道。

因此，他提出了通过结合传统遗传定位和高通量定向基因编辑来加速玉米功能基因挖掘的想法。

这一想法相当于为玉米功能基因组的鉴定研究建立了一条高效的“生产线”。传统的作物遗传改良方法是先“一万里挑一个功能基因”，然后进行分析，现在改为直接分析数百个功能基因，大大提高了鉴定效率和成功率，降低了成本。

“基于知识驱动和新兴的技术工具，作物首先要经过精心设计和规划，而不是盲目选择，这使得重新识别甚至重新定位作物基因以及从零开始‘驯化’作物成为可能。”严建兵说道。

张祖新还说，“传统育种”是品种改良的基础，“现代技术”可以在创造新的育种材料和提高育种效率方面取得突破。这两者是相互依存和不可分割的。“传统育种”由于“现代育种技术”的介入，实现了精确选择，提高了育种效率。“现代育种技术”只有与“传统育种”有机结合，合理应用于育种的各个方面，才能体现新技术的价值和优势。

重组自交系的创新设计

为了实现这一愿景，除了有效的“利器”和高效的“生产线”，找到合适的“生产对象”(养殖材料)也非常重要。

15年后，严建兵的团队和合作者创新性地设计了重组自交系“CUBIC”群(多亲、高世代自交群)。该群体来自中国四个杂种优势群的24个玉米骨干自交系。研究人员通过两轮双列杂交实现了所有亲本的基因交换，大大缩短了群体的发育周期。然后采用6代开放授粉和6代连续自交，最终获得1404个自交家系作为优良育种材料，可用于后续研究。

严建兵说，CUBIC群体结合了育种者的经验和基础研究学者的遗传设计，在设计之初就把遗传育种作为一个重要目标。

与传统重组自交系相比，立方设计具有遗传多样性高、群体结构不明显、重组事件更充分、与育种目标关系更密切等优点。这些特征确保了群体具有更高的定位效果，并期望产生可直接应用于育种实践的结果。

最近，研究人员使用立方群体识别了600多个关键性状基因座和其他重要候选基因，并对1000多个候选基因进行了大规模实验。研究人员认为，通过研究关键性状基因位点区间内所有基因突变的表型，可以识别功能基因，从而消除复杂的精细定位过程。

“总的来说，我们已经把‘水库’的基因数量减少到‘池塘’的数量。然后，下一步是从“池塘”中找到关键基因，这将更具挑战性。严建兵说道。

然而，颜剑屏认为“拾柴火焰高”。他早期开发的多元化玉米相关群体已被国内外同行免费使用，共向50多个单位发放了1.5万粒种子，极大地推动了我国玉米基础研究的进步。他们还分享和开放了CUBIC社区，希望通过“资源共享和众筹研究”来促进玉米的定制遗传改良，从而推动个性化作物“从头驯化”研究的梦想。