未來30年,預(yù)計全球人口將達到100億。到目前為止,常規(guī)育種方法已經(jīng)為我們帶來了高產(chǎn)的、營養(yǎng)豐富且適宜于機械收獲的作物,來滿足不斷增長的人口對于食物的需求。但是,主要作物的產(chǎn)量增加速度還不足以滿足未來的需求。作物的改良可以幫助我們應(yīng)對為100億人口提供糧食的挑戰(zhàn),問題在于,我們能否以足夠快的速度培育出更好的品種?這些技術(shù)都可以結(jié)合快速育種技術(shù),讓植物育種家們能夠跟上環(huán)境變化和人口增長的步伐。
最先進的技術(shù)與快速育種相結(jié)合,將為應(yīng)對養(yǎng)育100億人口挑戰(zhàn)的努力夯實基礎(chǔ)。

丨快速育種的發(fā)展
丨快速育種2.0

在許多物種中,母體植物在胚胎發(fā)育過程中使種子處于休眠狀態(tài)。種子的休眠可以在收獲后通過冷分層被立即打破,即,種子在低溫下吸水或使用促進發(fā)芽的激素。在開花后第14天提早收獲小麥和大麥種子,然后進行3天的干燥和4天的冷分層,使其休眠狀態(tài)被打破,并與收獲成熟種子相比減少大約15天的生產(chǎn)時間。
有些植物需要長時間的冷處理(春化)來調(diào)節(jié)向始花期的過渡;冬小麥品種需要6至12周。調(diào)控春化的分子成分在許多植物中都是已知的。瞬時地操縱這些控制點可能會導(dǎo)致“快速春化”的發(fā)展。
高溫會導(dǎo)致水汽不足,阻礙植物生長和花粉發(fā)育;然而,當(dāng)允許的水汽水平保持不變時,營養(yǎng)生長和衰老的速度可以加快。這一點已在玉米中得到證實,盡管植物在最低(夜間)溫度偏高時容易導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量大幅下降。當(dāng)植物的溫度敏感性已知時,可以在適當(dāng)?shù)纳L階段用高溫進行干預(yù)以加速生長。
日照時長和光照質(zhì)量的變化可以促進植物生長。長日照促進日中性或長日照植物的生長,而光合作用優(yōu)化后的光照質(zhì)量可提高初級產(chǎn)量?,F(xiàn)有的快速育種系統(tǒng)的一個特點是使用LED來改善光照質(zhì)量并降低運營成本。除了促進增長和增加能源投入的回報外,激光還可以在生長箱或溫室外產(chǎn)生,在溫室內(nèi)發(fā)射,然后散布到植物上,從而消除了使作物在受控環(huán)境下進行研究代價高昂的大部分冷卻成本。
然而,水培生長系統(tǒng)允許更優(yōu)化的營養(yǎng)成分和更快的吸收效率,同時保持根系生長的最佳有氧條件。盡管有這些潛在的好處,但必須注意優(yōu)化營養(yǎng)供應(yīng),從而避免不良影響,如葉子不衰老和成熟不同步。
增加二氧化碳還會提高光合作用的其他重要輸入(如光照強度和質(zhì)量)的飽和閾值,并通過減小氣孔孔徑來抵消高溫導(dǎo)致的水分損失。同樣,要實現(xiàn)二氧化碳升高的積極作用,可能需要優(yōu)化水和營養(yǎng)供應(yīng)。因此,對于在這類投入方面不受限制的水培而言,可以釋放植物的全部生長潛力。

丨展望
對某些作物來說,由于對延長的日照時間敏感或額外的光照不能加速其生殖成熟,因此無法實現(xiàn)快速育種和與其他育種技術(shù)的結(jié)合。在過去的100年里,植物育種帶來了高產(chǎn)作物,維持了人口的增長。利用一系列現(xiàn)代育種技術(shù)開發(fā)下一代作物品種,將在未來幾十年中滿足人口進一步增長的需求。