剧烈的气候变化导致全球极端温度时有发生，影响作物正常的生长发育。为了应对这些极端温度，植物采取了一系列形态、生理、生化、分子和细胞的适应性变化。温度胁迫包括热胁迫（HS；>25℃）、冷胁迫（CS；0-15℃）和冻胁迫（FS；<0℃），都会引起植物氧化损伤。HS和CS通过引起细胞损伤甚至细胞死亡来阻碍植物发育，导致膜流动性降低、抗氧化酶活性降低，改变各种蛋白质和次级代谢产物的生物合成，以及长期胁迫后激素信号传导和源库关系的变化。因此，了解作物如何适应、响应和耐受温度胁迫对于在不断变化的气候条件下提高作物生产力至关重要。研究作物如何发展抗逆性和生存策略来减轻温度胁迫的不利影响，可以为培育温度智能型作物的创新方法提供见解。
2024年2月，澳大利亚科学家Prof. Rajeev K. Varshney和Prof. Kadambot H. M. Siddique团队在Physiologia Plantarum发表综述文章《Temperature-smart plants: A new horizon with omics-driven plant breeding》。文章全面讨论了极端温度对全球作物生产的影响，综述了各种组学方法的最新进展，以及多组学方法在温度智能型作物的育种中的初步应用。此外，文章还探讨了单细胞组学辅助育种、机器学习（ML）和快速育种（SB）在加速温度智能型作物育种中进一步应用的潜力。最后，提供了快速育种方法的最新概述，认为这些方法可能是研发温度智能型作物以应对未来气候变化的关键。
图1. 研究植物对温度胁迫反应和增强耐受机制的系统生物学方法。 (A) 多组学分析涉及在相同或不同的胁迫条件和植物组织下将两种、三种或多种组学方法合并到一项研究中。这种集成为未来的育种计划生成了一个全面的组学数据集，重点是开发温度智能型植物。 (B、C) 利用综合研究的多组学数据与机器学习算法和快速育种方法来快速跟踪育种过程，以开发改良的温度智能品种。 (B) 机器学习处理这些数据集，以评估植物对温度胁迫的反应并发现关键因素，例如标记、基因、代谢物和蛋白质。 (C) 快速育种可加快育种周期，促进所需性状的快速渗入和温度智能性状的评估。
图2. 气候变化对农业生产的影响。(A)气候变化在全球不同地区有所不同。它可能需要同步或按时间顺序发生两种或更多不同的压力，包括极端温度、洪水、干旱和土壤盐度。(B)与2003年相比，到2080年气候变化对农业产量的预计影响，这是由于(A)中所示的多方面原因造成的。(C)极端温度(热和冷胁迫)对植物形态、生理、生化、分子和细胞过程的影响。
图3. 借助多组学方法设计温度智能型育种的策略。 (A) 从世界各地的基因库和地区收集和筛选不同的种质，包括耐温和敏感的品系/品种、地方品种及其野生近缘种。高性能计算的最新进展，包括多组学水平数据的使用，极大地增强了作物遗传分析。 (B) 整合不同的组学工具可以帮助揭示与胁迫相关的关键因素，例如基因、蛋白质、代谢物、miRNA和代谢途径，这些对于理解温度应激反应和耐受机制至关重要。 (C) 基因工程方法，包括基因编辑和转基因育种，为设计气候智能型未来作物以应对全球粮食安全挑战提供了巨大潜力。通过整合组学揭示的关键因素可以通过基因工程来调节基因表达和与应激耐受性相关的代谢物/蛋白质的丰度。 CRISPR系统和基因渗入可用于将从野生近缘种分离的有利基因座/基因转移到栽培/驯化植物中。(D) 快速育种涉及对培育作物基因型的环境条件进行操纵，其目的是快速跟踪育种周期并尽快进入下一代育种。这种方法有助于快速培育多代现代气候智能型作物。
图4. 快速育种(SB)对快速跟踪新品种生长和发布的贡献。(A) SB室中水稻世代的增殖和进阶。这对南亚北部等有季节性限制的地区尤其重要，例如旱季气温较低。因此，国际水稻研究所(IRRI)南亚区域中心(ISARC)正在努力开发能够在旱季存活并提供更高产量的温度智能型水稻品种。(B) SB与不同育种系统的整合。带颜色条的箭头表示育成一个品种所需的平均时间变化，这也可能因物种而异。从上到下，曲线箭头表示整合不同的育种系统如何帮助快速选育新品种。常规育种(CB);基因组编辑(GE);基因组辅助育种(GAB);快速育种(SB)。
深圳大学Dr. Ali Raza为该文第一作者，Prof. Rajeev K. Varshney和Prof. Kadambot H. M. Siddique为通信作者。该研究得到澳大利亚默多克大学食品期货研究所的项目支持。
