未来30年,预计全球人口将达到100亿。到目前为止,常规育种方法已经为我们带来了高产的、营养丰富且适宜于机械收获的作物,来满足不断增长的人口对于食物的需求。但是,主要作物的产量增加速度还不足以满足未来的需求。作物的改良可以帮助我们应对为100亿人口提供粮食的挑战,问题在于,我们能否以足够快的速度培育出更好的品种?这些技术都可以结合快速育种技术,让植物育种家们能够跟上环境变化和人口增长的步伐。
最先进的技术与快速育种相结合,将为应对养育100亿人口挑战的努力夯实基础。
丨快速育种的发展
丨快速育种2.0
在许多物种中,母体植物在胚胎发育过程中使种子处于休眠状态。种子的休眠可以在收获后通过冷分层被立即打破,即,种子在低温下吸水或使用促进发芽的激素。在开花后第14天提早收获小麦和大麦种子,然后进行3天的干燥和4天的冷分层,使其休眠状态被打破,并与收获成熟种子相比减少大约15天的生产时间。
有些植物需要长时间的冷处理(春化)来调节向始花期的过渡;冬小麦品种需要6至12周。调控春化的分子成分在许多植物中都是已知的。瞬时地操纵这些控制点可能会导致“快速春化”的发展。
高温会导致水汽不足,阻碍植物生长和花粉发育;然而,当允许的水汽水平保持不变时,营养生长和衰老的速度可以加快。这一点已在玉米中得到证实,尽管植物在最低(夜间)温度偏高时容易导致籽粒产量大幅下降。当植物的温度敏感性已知时,可以在适当的生长阶段用高温进行干预以加速生长。
日照时长和光照质量的变化可以促进植物生长。长日照促进日中性或长日照植物的生长,而光合作用优化后的光照质量可提高初级产量。现有的快速育种系统的一个特点是使用LED来改善光照质量并降低运营成本。除了促进增长和增加能源投入的回报外,激光还可以在生长箱或温室外产生,在温室内发射,然后散布到植物上,从而消除了使作物在受控环境下进行研究代价高昂的大部分冷却成本。
然而,水培生长系统允许更优化的营养成分和更快的吸收效率,同时保持根系生长的最佳有氧条件。尽管有这些潜在的好处,但必须注意优化营养供应,从而避免不良影响,如叶子不衰老和成熟不同步。
增加二氧化碳还会提高光合作用的其他重要输入(如光照强度和质量)的饱和阈值,并通过减小气孔孔径来抵消高温导致的水分损失。同样,要实现二氧化碳升高的积极作用,可能需要优化水和营养供应。因此,对于在这类投入方面不受限制的水培而言,可以释放植物的全部生长潜力。
丨展望
对某些作物来说,由于对延长的日照时间敏感或额外的光照不能加速其生殖成熟,因此无法实现快速育种和与其他育种技术的结合。在过去的100年里,植物育种带来了高产作物,维持了人口的增长。利用一系列现代育种技术开发下一代作物品种,将在未来几十年中满足人口进一步增长的需求。