●冯丽妃
辛辛苦苦一季度，改良品种水稻竟被老鼠吃了。
2023年5月，中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称“遗传发育所”）博士生娄焕昌在海南对其团队开发的“环境智能”基因编辑水稻进行小区测产。看着被老鼠啃得光秃秃的稻秆，娄焕昌蹲在田里欲哭无泪。
从最初构思“环境智能”设计育种路线，到开发基因编辑工具，再到经过无数次摸索将基因片段精准敲入，建立育种技术体系，并在田间筛选出纯合品种，这项研究他们已经开展了3年多。
正当大家满怀期待时，娄焕昌不得不硬着头皮向导师许操汇报——这次试验“砸了”。出乎意料的是，导师非但没责备他，反而安慰他“这是好事”。
“老鼠爱大米，它们比我们看得准。你看，它们只吃改良品种，说明这些稻米确实饱满。” 遗传发育所研究员许操说。
经过5年研究、测产，研究表明，许操团队提出的“环境智能”作物设计育种策略行得通——既能在顺境中实现高产，又能在逆境中保持稳产。12月中旬，相关研究成果发表于《细胞》。
巧妙育种，让植物更“皮实”
2020年，在一次课题组组会上，许操和团队成员想通过“头脑风暴”凝练出一个“大科学问题”——既具有前沿探索价值，又符合国家重大需求，同时又能挑战世界生物育种科技制高点。
他们将目光迅速锁定在应对气候变化对农业带来的严峻挑战上。
随着全球气候变化加剧，农业灾害频发、作物大幅减产。许操查阅相关数据发现，仅在2023年，我国农作物受灾面积就达到1.58亿亩，产量损失超过500亿公斤。
如何应对这一严峻挑战？许操认为：“要让植物变得更加‘皮实’，对气候环境变化更有韧性，进一步打破现有单产提升的瓶颈。”
这在实际农业生产中并非易事。为适应环境变化，高等植物有一套十分灵敏的“生存-防御”应对策略。在遭遇高温逆境时，它们会调整营养分配策略，节省能量，减少果实营养供给，只保障少数种子存活，用以繁衍后代。这会造成番茄等果蔬植物落花落果、果实大小不均、糖度低，也会让水稻、小麦、玉米、大豆等谷物出现瘪壳、秃尖、空荚等现象。
这些现象正是百年经典理论——“源-库”理论中的典型问题。“源-库”即植物体内光合产物从叶片等“源”器官向根、茎、果实、种子等“库”器官运输与分配的过程，也被称为“源-库-流”。这一过程除了具有科学意义，还蕴藏着让作物增产的巨大潜力。
如何通过人工设计让“源-库-流”释放增产潜力？许操团队提出“环境智能”设计育种策略，确立了“顺境增产、逆境稳产”的攻坚目标。他们深入研究“源-库-流”中的关键枢纽基因——细胞壁蔗糖转化酶，该基因可将光合作用产生的蔗糖转化为葡萄糖和果糖，以帮助果实发育。他们还建立了一套高效的植物引导编辑技术体系，给细胞壁蔗糖转化酶安装了一个“温度感应器”——热响应元件。这一创新设计使得作物能够自主感应温度变化，并根据环境条件灵活调控体内营养物质的分配。
“过去，一旦植物遭遇逆境，细胞壁蔗糖转化酶的活性就会被抑制，不能有效‘卸载’和‘转运’蔗糖，果实和种子就会缺乏必要的营养。”许操说，“现在，我们的作物能够通过温度感应器自主判断环境条件，在顺境时向果实多运输营养并进行储存，实现高产；在逆境时上调细胞壁转化酶的表达，缓解果实的‘糖饥饿’状态，保证果实的品质。”
打通“关卡”，实现增产
打通“环境智能”设计育种的技术“关卡”后，许操团队培育出“T0代”（初代基因编辑）材料。
为了模拟真实农业灾害环境，许操团队除了在自然条件下按照时令或延后时令进行田间试验外，还采用温室大棚、“棚中棚”等不同栽培模式模拟不同的温度条件。“七八月份，我们在温室中设立的‘棚中棚’，日平均温度可达45摄氏度，这样可以更好地评估改良后的番茄在开花、结果时遭遇真实逆境时的产量。”娄焕昌说。
遗传发育所助理研究员黎舒佳告诉笔者，她曾在许操建议下向农民学习“打叉”，控制番茄的侧枝生长。“在实验室中，我们通常在侧枝长到5厘米时就剪掉。但在实际生产中，打叉时间和方法对产量的影响要复杂得多。比如，夏季打叉的时间要稍晚一些，以控制植物生长过旺；冬季打叉则要及时，以避免有限的光合作用产生的营养被侧枝分走。”黎舒佳说。
他们从北京到海南跨越数千公里，连续4年一茬茬进行测产试验。
研究团队发现，顺境条件下，植入温度感应器的番茄产量提高了14%至47%；高温逆境下，改良后的种质更是比对照增产26%至33%，可挽回高温胁迫造成的56.4%至100%的产量损失。出乎意料的是，新技术还解决了一串果实从近到远大小不一、糖分口感不均的问题。
“我们的碳同位素示踪实验表明，温度感应器的精准敲入保证了糖分向果实的运输，使改良后的番茄果实在均匀度和糖度等品质性状上都有了显著提升。”黎舒佳说。
通过关键技术拓展，研究团队进一步发现，顺境条件下，该方法可使水稻产量提高7%至13%；高温逆境下，突变后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。
“我们选取的枢纽基因和热响应元件在植物里都是通用的，希望建立一套通用的育种技术，让主粮、蔬菜、经济作物都能够旱涝保收。”许操说，除了高温逆境育种，该团队还在开展光照、水分等“环境智能”作物育种。
守正创新，开启智能育种新时代
在许操看来，当前我国番茄产业尽管年产值已达1800亿元，但仍大而不强，品种够用但不够好，种子不如发达国家高产、稳产、好吃。
“我国一粒番茄种子的价格约为0.5元至1元，而高端、好吃的番茄种子价格一粒高于20元，按重量算的话，价格比黄金还贵。我国85%的高端番茄种子依赖进口。”许操说，“2020年相关统计数据表明，我国每平方米番茄的产量为5.9千克，而荷兰平均为50.7千克。2022年，荷兰在引入人工智能、数字孪生技术后，每平方米番茄产量甚至可达121千克。”
“很多人说我们的番茄产量够高了，其实还远远不够。我国为什么要推动‘蔬菜进棚、果树上山’？归根到底是要拓展种植空间，尽量不与主粮争土地。如果我们突破育种关键核心技术，进一步大幅提高产量和品质，就能节省大量土地。”许操补充说。
目前，许操团队已经收集了2000多种番茄种质资源，他们正围绕从头驯化、环境智能育种、机器人育种3个关键技术领域开展智能设计育种攻关，以期培育出好吃、抗逆、营养保健的高产新品种。同时，研究团队培育的若干番茄新种质，已经在成果转化的路上。
据《中国科学报》