近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操团队依据植物生理学中的“源库理论”——即光合作用产物在植物体内从“源”（如叶片）向“库”（如果实或种子）的运输和分配机制，开发了一种新的环境智能型高产-稳产作物设计育种策略，称为CROCS。该项研究进展在国际顶尖杂志Cell发表，题为“Engineering source–sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”。这一进展标志着我国在高产稳产作物育种核心技术方面取得了重要突破。
研究主要解决了高温逆境下番茄落花、果实品质下降以及水稻秃尖、瘪壳等导致产量大幅减少的问题。研究人员确定了高温影响番茄产量和果实品质的生理基础：高温抑制了碳同化物从源器官到库器官的有效分配，导致落花、果实大小不一及糖度低等问题。具体而言，高温抑制了细胞壁蔗糖转化酶（CWIN）的表达，阻止了来自叶片的光合产物蔗糖有效转化为葡萄糖和果糖，从而影响了果实的正常发育。
CROCS环境智能高产稳产设计育种示意图
为了使作物能够在适宜条件下实现高产而在不利条件下保持稳产，研究团队需要解决如何将作物的碳同化物分配机制与抗逆反应分离，并赋予作物根据环境变化自动优化资源分配的能力。为此，他们克服了高效基因敲入的技术挑战，改进了引导编辑器，成功地将一个10个碱基对的热响应元件（HSE）精准插入到番茄内源性细胞壁蔗糖转化酶CWIN基因LIN5的启动子区域。这种修改不仅没有改变LIN5的原有表达模式，还使其获得了温度响应上调表达的新特性。通过碳同位素示踪实验验证，HSE的引入增强了常温下糖分向果实的运输，显著缓解了高温条件下的“糖饥饿”，让番茄具备了根据温度变化自动调整“库”容量的能力。
在温室、大棚和大田等不同栽培环境下进行的多年多点单产测试显示，该方法在常规农业生产条件下可使番茄产量提高14%至47%，而在高温逆境中则能增加26%至33%的产量，几乎完全挽回了高温造成的产量损失，同时提高了果实的一致性和甜度。对于水稻，该策略同样显示出潜力，在常规条件下可提高7%至13%的产量；在高温逆境下，经过HSE精准敲入的水稻品种比对照组增产25%，恢复了约41%的稻米产量损失。
CROCS构建了一个适用于多种作物的快速育种技术体系，包括顺式调控元件的选择、靶向位点的确定、瞬时表达验证、基因编辑器的改良以及种质测产和性状评价等步骤，实现了主要粮食和蔬菜作物在良好环境中增产和恶劣环境中稳产的目标。这可能标志着环境智能型高产稳产作物设计新时代的开始。此外，CROCS也为培育适应气候变化的高产稳产作物提供了高效的基因编辑工具和技术平台，促进了植物对环境适应机制的基础研究。
环境智能设计育种快速创制高产稳产番茄和水稻种质
中国科学院遗传发育所许操研究员为该文章的通讯作者，博士研究生娄焕昌为文章的第一作者，助理研究员黎舒佳为文章的共同第一作者，研究得到了李家洋院士、黄学辉教授、何祖华院士的指导和大力支持。中国科学院遗传发育所刘贵富研究员、荆彦辉博士、陈明江博士、牟金叶博士和中国科学院生物物理研究所张洪杰博士对本研究提供了大力支持。该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院先导专项等项目的资助。
许操，博士，研究员，博士生导师。2001-2005: 山东农业大学，学士；2005-2012: 中国科学院遗传与发育生物学研究所，博士；2013-2017: 美国冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory)，博士后；入选国家高层次人才计划于2017年8月入职中国科学院遗传与发育生物学研究所，任研究员，2017年11月入选中国科学院-英国约翰英纳斯中心植物和微生物科学联合研究中心，研究员；2022年获“国家杰出青年基金”资助。
