中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所許操團隊基于植物生理學經(jīng)典理論“源庫理論”即植物體內光合產(chǎn)物從“源”器官向“庫”器官的運輸與分配過程，發(fā)展出環(huán)境智能型高產(chǎn)-穩(wěn)產(chǎn)作物設計育種新策略（CROCS）。12月14日，相關研究成果以Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice為題，發(fā)表在《細胞》（Cell）上。這一成果是我國在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物育種核心技術方面取得的重要進展。

該研究針對高溫逆境導致的番茄落花落果、品質低下以及水稻禿尖、癟殼等引起主要糧食和蔬菜作物大幅減產(chǎn)的農業(yè)生產(chǎn)實際問題，明確高溫致使番茄大幅減產(chǎn)、果實品質低下的植物生理學基礎，即高溫等農業(yè)逆境抑制碳同化物從源器官到庫器官的分配，造成落花落果、果實大小不均一、糖度低等問題。研究發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是細胞壁蔗糖轉化酶（CWIN）的表達被抑制，使得葉片運輸來的光合碳同化物蔗糖無法有效地轉化為葡萄糖和果糖以供應果實發(fā)育，導致落花落果，品質低下。

如何將作物的碳同化物分配機制與抗逆“超敏反應”解耦聯(lián)，使之具備感應環(huán)境變化自動優(yōu)化分配的能力，是創(chuàng)制順境高產(chǎn)、逆境穩(wěn)產(chǎn)的環(huán)境智能型作物的關鍵。該團隊突破了高效基因敲入技術難題，自主改造了引導編輯器，將一個10 bp的熱響應元件（HSE）精準敲入番茄內源細胞壁蔗糖轉化酶CWIN基因LIN5的啟動子靶向區(qū)。HSE的敲入未改變LIN5的表達部位，并賦予其熱響應上調表達的能力。碳同位素示蹤實驗顯示，HSE精準敲入增強了正常條件下糖分向果實的運輸，顯著緩解了高溫條件下果實的“糖饑餓”，使番茄獲得了感應溫度變化自動“擴庫暢流”的能力。

溫室、大棚、大田等不同栽培模式條件下的多年多點單產(chǎn)測試顯示，正常農業(yè)生產(chǎn)條件下，該方法可使番茄產(chǎn)量提高14%至47%；高溫逆境下，該方法培育的番茄種質比對照增產(chǎn)26%至33%，可挽回高溫脅迫造成的56.4%至100%的產(chǎn)量損失，且改良后的番茄果實均一度、糖度等品質性狀在相應條件下顯著提高。進而，研究通過關鍵技術拓展，在水稻中測試CROCS育種策略在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)育種中的應用潛力。多年多點水稻單產(chǎn)測試表明，正常農業(yè)生產(chǎn)條件下，該方法可使水稻產(chǎn)量提高7%至13%；高溫逆境下，HSE精準敲入的水稻品種比對照增產(chǎn)25%，可挽回高溫脅迫造成的41%的稻米產(chǎn)量損失。

CROCS建立了包括順式調控元件篩選、靶向位點選擇、瞬時表達驗證、基因編輯器改造、種質測產(chǎn)與性狀評價等方法在內的不同作物通用的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)快速育種技術體系，首次在主要糧食和蔬菜作物中同時實現(xiàn)了“順境增產(chǎn)，逆境穩(wěn)產(chǎn)”環(huán)境智能型作物種質的快速創(chuàng)制，有望開啟環(huán)境智能型高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)作物設計新時代。同時，CROCS為精準敲入環(huán)境感應分子開關，培育順境高產(chǎn)逆境穩(wěn)產(chǎn)的氣候韌性作物鋪平了道路，并為植物發(fā)育環(huán)境適應機制的基礎研究提供了高效的基因編輯工具和可行的技術體系。

研究工作得到國家自然科學基金和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項等的支持。

CROCS環(huán)境智能高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)設計育種示意圖