作者：贾倩
单位：北京市农林科学院数据科学与农业经济研究所
近年来我国将种业发展的重要性提升到前所未有的高度，指出要打赢种业翻身仗，实现种业振兴。种业振兴的根本在科技，新技术、新工具、新方法在育种领域的交叉融合与渗透，极大地推动了种业科技创新和产业化进程。通过开展国际植物育种科技前沿资讯监测，归纳并总结了2022年国际植物育种科技新进展和新态势，以期为科研人员及时掌握国内外最新的植物育种研究动态、追踪科技前沿、洞察未来的发展趋势提供参考。
一、重要功能基因挖掘聚焦增产、抗病、极端天气耐受性状，为保护植物多样性和保障粮食安全提供丰富遗传资源
在增产基因挖掘方面， 研究了玉米产量性状基因座KRN2和水稻直系同源物OsKRN2负调控作物籽粒数量的功能和分子演变；发现了可以提升小麦小穗数的新基因DUO-B1，为小麦高产育种提供了重要基因资源；发现了能够同时提高光合作用效率和氮素利用效率的高产基因OsDREB1C，对于探索高产早熟新品种大田生产模式，快速提升作物单产水平意义重大。发现了3个与甜瓜果实成熟有关的基因——CmCTR1、CmROS1和CmNAC-NOR，并利用CRISPR/Cas9技术对其功能进行了验证；研究证实了与光合作用相关的多基因生物工程可以提高田间试验中主要粮食作物的产量。
在抗病基因挖掘方面 ，成功创制新的抗Ug99（变种秆锈菌）小麦种质，通过CRISPR/Cas9基因编辑技术靶向编辑玉米内源基因，创制玉米拟轮枝镰孢穗腐病抗性品种，为作物抗病育种提供了重要种质资源；利用基因工程手段对小麦基因组中一个被转座子插入而沉默的抗*粉白**病基因Pm41进行遗传操作，通过激活其在感病小麦品种中的表达，重新赋予其抗*粉白**病功能，为发掘小麦基因组中大量被沉默和从未被育种利用的优异基因进行高产抗病设计育种提出全新思路；发现了赋予大麦对病原体小麦条锈病Rps8介导的抗性的遗传模块，该模块包括Pur1（编码受体激酶）和Exo70FX12（禾本科特异性Exo70支系）。使用CRISPR-Cas9靶向敲除易感基因OsDjA2和OsERF104，显著提高了稻瘟病抗性，为防治水稻稻瘟病提供了潜在可选靶点，并且支持CRISPR/cas9介导的水稻易感基因靶突变可作为提高水稻稻瘟病抗性的替代育种策略。
在耐受极端天气基因挖掘方面， 成功分离克隆了水稻高温抗性新基因位点TT3，阐明了其调控高温抗性的新机制，发现了第一个潜在的作物高温感受器TT3.1，所发现的TT3.1-TT3.2遗传模块首次将植物细胞质膜与叶绿体之间的高温响应信号联系，揭示了全新的植物响应极端高温的分子机制及叶绿体蛋白降解新机制，为作物育种提供了抗高温基因资源；发现第一个RNA低温感受器 ， 首次发现RG4结构抑制mRNA的降解，阐明了RG4结构的全新分子调节功能，转录组中RG4结构的选择性富集帮助陆生植物感知低温信号，促进植物对寒冷环境的适应性进化；在野生玉米中克隆了首个控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因Teosinte High Protein 9 （THP9），在培育高蛋白玉米及在低氮条件下促进玉米高产、稳产中具有重要应用潜能；在强休眠水稻品种Kasalath中克隆到一个控制水稻种子休眠的关键基因SD6，并证实其负调控水稻种子休眠性，同时发现另一水稻转录因子ICE2正调控水稻种子休眠性，可改善水稻穗发芽情况，用于优质水稻主栽品种的休眠性育种改良。发现了一种小麦新型矮秆基因Rht13，该基因只在小麦茎部较高的组织中发挥作用，即矮化机制只有在幼苗完全出苗后才会生效，可以解决幼苗破土难的问题，培育出能够在更干旱土壤条件下种植的矮秆小麦品种。首次对植物自主重编程效应进行研究，发现了“表观遗传重编程”密码，通过操纵植物特异性核编码基因MSH1，以触发多种不同非遗传状态，从而影响植物的应激反应和生长活力，进一步确定了基因组内表观遗传变化的特定基因靶点，可用于定位和解码与植物生长相关的信息，了解并利用这一重编程过程，对于培育能够耐受极端天气的作物至关重要。
二、植物重要基因调控与生理调控机制研究日益丰富，为气候适应性植物品种培育提供了理论指导
来自美国、加拿大和中国的科学家合作并成功发现了高温下植物的免疫和防御机制，即易受高温影响的中枢防御激素水杨酸，其温度敏感性主要是受GBPL3防御相关生物分子凝聚体形成的影响，进而导致免疫相关转录因子CBP60g和SARD1启动子区域的GBPL3及水杨酸相关Mediator亚基受损。该研究解析了植物感知气候变暖，调控植物免疫的遗传机制，为培育具有气候适应性的作物奠定基础。
美国科学家确定了开花植物果实和种子的发育机制，确定了普遍存在于所有开花植物中的基因AGL62是植物生成果实和种子的触发因素。AGL62能够刺激一种重要的植物生长激素的产生。研究了在开花植物中，受精如何诱导胚乳中的生长素生物合成，以促进肉质果实的萌生，确定了通过生长素介导，促使开花植物受精成功的关键机制。
英国研究团队培育了一种永久性的“倒时差”植物，并为该植物建立了计算机模型，能够准确预测生物钟调节对植物生长的影响，并识别出受错误时钟基因影响的分子路径。该研究有助于在分子水平上进行作物改良，提高作物产量和适应力，以更好地应对气候变化，代表着在创造复杂多细胞数字生物体方面迈出重要一步。
日本研究团队发现不同谷物作物间存在共同的芒抑制机制，并确定了高粱中负责调节芒伸长和缩短的显性芒抑制基因（DOMINANT AWN INHIBITOR，DAI）及其工作机制，确定了DAI对于无芒栽培作物品种发展的重要性。
中国研究团队揭示出决定种子活力的表观遗传调控机制，发现组蛋白H3变体H3.3在染色质上的装配是种子获得萌发和胚后发育能力的关键，并分析了H3.3发挥的调控机制，为阐释种子活力的形成机制奠定了基础；发现了小麦调控耐旱与生长平衡新机制，通过干扰TaMPK3基因表达可以提高小麦耐旱性，为作物抗旱育种提供了理论基础和基因资源；揭示了水稻花粉育性的新调控因子，发现水稻花粉表达的甲基化CpG位点结合蛋白家族成员PEM1是调控花粉外壁形成的重要调控因子，为解析花粉外壁发育调控网络提供了新切入点，为植物雄性育性的遗传操作提供了新基因元件；创建了基于花粉管延伸抑制的不育制种新技术，利用玉米单向杂交不亲和基因ZmGa1F抑制转基因花粉管的生长，阻碍转基因的有性传递，证明了ZmGa1F取代花粉致死基因的可行性。
三、组学研究与应用日益深化，为植物群体遗传改良奠定了基础
中国科学家研究发现了栽培六倍体裸燕麦及其二倍体和四倍体祖先的高质量参考基因组，揭示出六倍体栽培燕麦的起源与亚基因组演化。完成饭豆（赤小豆）高质量基因组组装和解析，鉴定出多个重要性状主效位点和候选基因，发掘一批优异育种亲本材料。成功绘制出中国豌豆基因组高质量精细物理图谱，构建出栽培和野生豌豆泛基因组，解析了豌豆基因组进化特征、群体遗传结构，为揭示豌豆起源驯化、基因挖掘、种质创新提供宝贵资源。研究组装出多个高质量马铃薯参考基因组，鉴定得到多个高质量的结构变异，首次构建出栽培和近缘野生马铃薯的大片段倒位图谱，为马铃薯杂交改良提供重要指导；利用图泛基因组解决了遗传变异检测难题，从遗传标记的不完全连锁、等位基因异质性和位点异质性三方面找回“丢失的遗传力”，为解析生物复杂性状的遗传机制和番茄育种提供新思路。以谷子为模型，构建“谷子基因型-标记微生物群-谷子农艺表型”三角互作网络，提出植物“农业精准微生物组”概念，以及通过精准的微生物组管理设计高产栽培品种和高效微生物接种剂，改善植物-根系微生态互作提升农作物产量的育种策略。此外，德国慕尼黑大学和马克斯•普朗克植物育种研究所的科学家首次破译了高度复杂的四倍体马铃薯基因组。
四、人工智能、3D打印技术与植物遗传学交叉渗透，引领育种技术数智化升级
中国研究团队提出大数据和人工智能驱动下的智能育种新策略——基因组-环境组集成预测，该策略使未来育种能够在基因型-表型-环境型全方位信息支撑下，准确预测特定基因型在特定环境下的表现，实现真正意义上的适应气候变化的定向育种；研发出新一代模块化遗传育种智能计算机仿真模拟Blib平台，并开发出适宜于特定物种、特定育种方法、特定遗传现象的各种应用程序和模块，进而模拟优化遗传育种方法，对特定亲本杂交后代的表现进行预测。
美科学家提出利用3D打印机“生物打印”细胞来研究不同类型植物细胞之间细胞通讯的可重复方法，建立了3D生物打印植物细胞的框架，以研究细胞活力、细胞分裂和细胞特性，了解植物细胞间及其与环境如何相互交流，并创造能够适应不断变化的生长环境的优良作物品种，目前已在拟南芥和大豆细胞上实现成功应用。
五、数字技术及新兴生物技术的商业化应用，引领农业精准、低碳、可持续发展
拜耳重点关注碳农业、FieldView™数字农业平台和精准作物保护，支持将创新产品和数字技术与碳农业、低耕、覆盖作物和生物多样性保护相结合；通过FieldView™提供从卫星、田间传感器和智能联合收割机采集的数据和建议，更有效地管理田地，最大限度提高农业效率并减少碳排放；通过数字化的精确应用和更有利环境的新作物保护产品以减少农业对环境的影响。
拜耳投资部门“拜耳飞跃计划”（Leaps by Bayer）领投农业食品技术公司NuCicer。该公司基于其庞大的种质资源库，以机器学习和基因组引导育种平台为核心，发现关键性状的遗传控制，计划将鹰嘴豆蛋白质含量提高75%，成本降低50%，并于2023年推向市场。
拜耳宣布收购德国生物科技初创公司Targenomix（Max Planck分子植物生理学研究所（MPI MPP）的衍生公司），该公司通过利用新型系统生物学和计算生命科学工具，识别植保化合物的新型作用模式，将帮助拜耳设计安全有效的化合物分子，并加速有潜力分子的开发进程，将使农业生产具有可持续性。
拜耳与美国普渡农业公司（Perdue）达成再生农业合作意向，旨在推动再生农业生产，大规模减少农业碳排放。通过为Perdue提供先进平台，帮助各种规模的农场过渡到再生农业生产模式，衡量、跟踪和激励农民采用更可持续的做法，帮助Perdue上游价值链脱碳，该项合作预计每年将从大气中吸收超过100万吨的二氧化碳。
巴斯夫蔬菜种子事业部与美国计算机视觉技术公司IUNU（计算机视觉和人工智能软件提供商）合作，共同推进数字表型分析，助力水培生菜育种。IUNU将人工智能纳入商业温室和室内农场的检测系统，通过机器学习和计算机视觉技术，实现对个体植株健康状况大规模的跟踪和预测。该服务基于一款由计算机视觉和人工智能软件组成的先进数字表型平台LUNA AI，其可生成有关水培生菜生长模式和性状的数据，将帮助育种者提高育种预测能力，判断出在特定情况下表现最佳的品系。
先正达计划将其蔬菜业务与MAP（Modern Agriculture Platform，现代农业技术服务平台）和数字农业进行整合，联合产业链合作伙伴，打造从种子到餐桌的全产业链条。
巴斯夫与科迪华达成互换大豆性状协议，允许双方相互授权使用大豆性状，从而开发新型除草剂技术，科迪华计划将巴斯夫PPO（原卟啉原氧化酶）基因与其耐除草剂性状（包括科迪华独有的2,4-D胆碱基因）相结合，建立新的大豆性状库，并授权给巴斯夫使用。新性状库包括：巴斯夫Liberty®（草铵膦）、科迪华Enlist®除草剂（采用Colex-D®技术的2,4-D胆碱）和巴斯夫PPO*制剂抑**类除草剂Kixor®和Tirexor®，以及巴斯夫正在开发的新型PPO*制剂抑**类除草剂。该性状库还将包括对草甘膦的耐受性。
三亚华大基于其自主研发的时空转录组学Stereo-Seq平台，与荷兰著名植物育种公司KeyGene开展深度合作，双方围绕解码农艺相关基因活性、培育抗病虫害新品种、可持续粮食生产，致力于实现快速鉴定参与植物和病原体相互作用的重要先导基因，将有效推动开发新型和具有持久抗病性的作物品种，助力全球可持续粮食生产。
美国植物基因编辑领域领先的农业生物技术公司Cibus，基于其核心技术——寡核苷酸定向诱变技术，研发出快速性状开发系统（RTDS），并通过种质IP授权模式开展商业化应用，已与Valley Oils Partners、GDM等食品、油料开发销售公司、种子公司达成商业合作关系，授权其独有的油菜、大豆等作物改良品种。同时，将RTDS系统融入其作物特异性细胞生物学平台进行业务运营，分别围绕重要油籽和谷类作物（大豆、油菜、水稻、玉米和小麦）和作物耐除草剂、抗病虫害、提升氮利用率以及其他农艺性状（主要为植物结构或生理的弱点）构建特定的RTDS技术平台。目前，已成功构建了针对油菜、水稻和大豆的作物平台，2023年和2025年将分别完成小麦和玉米作物平台构建。
农业技术初创公司Phytoform 斥资570万美元开发智能育种平台CRE.AI.TIVE，将机器学习和基因编辑技术相结合，提高作物适应力。
英国非盈利农业生物技术组织2Blades宣布加入“气候农业创新使命”（AIM for Climate）计划，成为“创新冲刺”（Innovation Sprint）项目合作伙伴，基于其开发的新一代基因发现平台，致力于建立豆类遗传抗性资源，提供持久的亚洲大豆锈病（ASR）抗性；承诺在660万美元的基础上再筹集1270万美元，用来快速跟踪豆类的气候恢复能力。
本周三！！小绿头 发布：没/关/注的先/关/注下呦！！
【原创报告】提升农民数字素养，增强农民增收软实力
【前沿资讯】美国NSF新项目利用人工智能操控转基因辣椒性状
【前沿资讯】日本筑波大学开发鸡精液长期储存技术
【前沿资讯】Yield10申请生产omega-3亚麻荠
北京农业科技大讲堂：“苹果园提高品质与管理技术”开讲了！
就在本周三！！！ 就在本周三！！！ 就在本周三！！！
关注“农科智库”小绿头号，提前查看最新农业资讯！！！还有更多原创报告、一手农业前沿资讯等精彩内容。
