民以食为天，食以粮为先。长期以来，粮食安全议题在全球广受关注，助力农作物高产稳产相关技术研发进展也备受瞩目。

中国科学院遗传与发育生物学研究所(遗传发育所)许操研究员团队基于植物生理学经典理论“源库理论”，通过持续攻关让理论成为现实，最新研发出不同作物通用的高产稳产快速育种技术体系――“环境智能型高产―稳产作物育种新策略”(CROCS)，由此开启环境智能型高产稳产作物育种新时代。

中国科学家在高产稳产作物育种核心技术上取得这项重大突破的相关成果论文，北京时间12月14日凌晨在国际著名学术期刊《细胞》(Cell)上线发表。业内专家称，该研究开辟了环境智能精准设计育种新路径，将为突破作物高产稳产育种瓶颈，保障粮食安全提供全新育种策略。

何以开启作物育种新时代

此次研究发布的环境智能育种全新策略，通过建立包括环境响应顺式调控元件筛选、靶向位点选择、瞬时表达验证、基因编辑器改造、种质测产与性状评价等一系列方法在内的高产稳产快速育种技术体系，首次在主要粮食和蔬菜作物中同时实现“顺境增产，逆境稳产”环境智能型作物种质的快速创制。

论文通讯作者许操研究员表示，这是不同作物通用的高产稳产快速育种技术体系，开启了环境智能型高产稳产作物育种的新时代。

他指出，过去几十年的生命科学基础研究已经鉴定出许多响应生物与非生物胁迫、养分吸收与利用以及共生微生物的顺式调控元件。这些顺式调控元件能够响应多种胁迫，如高温、低温、干旱、盐碱、光照、病原体侵害以及养分缺乏等。

“环境智能型高产―稳产作物育种新策略”系统为精准敲入环境感应分子开关、培育顺境高产逆境稳产的气候韧性作物铺平了道路，也为植物发育环境适应机制的基础研究提供了高效的基因编辑工具和可行的技术体系。

百年理论如何解决实际问题

许操研究员长期从事作物发育环境适应性机理与设计育种研究。他介绍说，“源库理论”是植物光合作物产物分配和作物产量形成的生理学基础，从1928年提出距今已有近百年历史。它是指植物体内光合产物(如碳同化物蔗糖)从“源”器官(主要为光合组织，如叶片)向“库”器官(如根、茎、果实、种子等)的运输与分配过程，而负责碳同化物运输的输导系统及其运转速率被称为“流”。

“源―库―流”互相依存又存在反馈调节，作物源库关系不畅会导致碳同化物分配“内卷”，果实和种子产量和品质低下。“增源、扩库、畅流”一直是作物栽培和作物育种中实现高产稳产的根本。高温等农业逆境会抑制碳同化物从源器官到库器官的分配，造成落花落果或籽粒空瘪，如番茄落花落果、果实大小不均一、糖度低，水稻、小麦、玉米的瘪壳、秃尖等，是造成农业灾害减产的主要原因。

实际生产中，作物周围的温度是实时变化的，如果能给作物源库关系调控的关键枢纽基因安装一个温度感应器，赋予其实时感应温度变化自动优化源库分配的能力，将有望在不额外增加农业资源投入的情况下，打破碳同化物分配“内卷”，突破单产提升瓶颈，创制顺境高产、逆境稳产的环境智能型作物。

基于“源库理论”，中国科学院遗传发育所智能设计育种科技攻关团队研究发现，细胞壁蔗糖转化酶(CWIN)是调控碳同化物分配的关键基因，它将叶片运输来的蔗糖在花、果实、种子等库器官中卸载、转化为可直接被吸收利用的葡萄糖和果糖，这些糖分既是果实种子发育的必需营养物质，又决定了果实甜度和稻米谷物的品质。

环境智能作物育种有何成效

许操表示，聚焦细胞壁蔗糖转化酶这类源库关系调控的关键枢纽基因，研究团队突破高效基因敲入技术难题，为细胞壁蔗糖转化酶基因植入了在植物基因中广泛存在的热响应元件分子开关(HSE)，使作物获得感应温度变化自动“扩库畅流”的能力。

研究团队在温室、大棚、大田等不同栽培模式条件下，对番茄多年多点单产测试发现，顺境条件下，使用环境智能育种全新技术可使番茄产量提高14%―47%；高温逆境下，该方法培育的番茄种质比对照增产26%―33%，可挽回高温胁迫造成的56.4%―100%的产量损失，而且改良后的番茄果实均一度、糖度等品质性状在相应条件下显著提高。

通过关键技术拓展，研究团队进一步在单子叶植物水稻中测试环境智能育种策略在高产稳产育种中的应用潜力。经过多年多点水稻单产测试表明，顺境条件下，该方法可使水稻产量提高7%―13%；高温逆境下，热响应元件分子开关精准敲入的水稻品种比对照增产25%，可挽回高温胁迫造成的41%的稻米产量损失。

许操透露，智能设计育种科技攻关团队已将该策略应用于大豆、小麦、玉米等作物，有望快速培育顺境高产、逆境稳产的新种质。

(记者 孙自法)