Current challenges and future perspectives of plant and agricultural biotechnology

植物和農業生物技術的當前挑戰和未來前景

在理解植物生物學、新的遺傳資源、基因組改造和組學技術方面的進步為在不斷變化的環境條件下的食品安全和新型生物材料生產提供了新的解決方案。新的基因和種質候選者有望在壓力下提高作物產量和其他植物性狀，必須通過大規模實地評估，在反復試驗的基礎上，通過長期發展階段。因此，定量、客觀和自動篩選方法與決策算法相結合可能具有許多優勢，能夠在早期階段快速篩選最有希望的作物品系，然后進行最終強制田間試驗。新型分子工具、篩選技術和經濟評估的結合應該成為農業植物生物技術革命的主要目標。

圖1.農業生物技術加工和篩選漏斗

植物生物技術和農業的進一步發展取決于各種科學投入的有效組合和應用（圖1），這些投入是進入生物技術處理漏斗的成分：細胞生物學、生物化學和代謝、各種組學、系統和合成生物學方法，以及其他技術（如組織培養、轉化、信息學）。植物生物學的其他主要成就是植物基因組工程的新方法。例如，細菌RNA導向的CRISPR–Cas9核酸內切酶是真核生物中位點特異性基因組修飾的通用工具。該方法適用于任何模式生物的基因組編輯，并最大限度地減少非靶點突變的混淆問題，除其他新技術外，有望成為等位基因修飾、基因置換、蛋白質組結構表征和翻譯后修飾的首選方法。這種快速擴展的基因組工程工具包可以提供前所未有的對植物基因組遺傳信息的控制，對于闡明植物代謝、生理和形態特征，從而更好地控制和修改生物結構和功能非常重要。

圖2.縮小基因型-表型差距

田間表型分析可以增加高潛力候選作物的比例和數量，從而節省時間和金錢，縮小基因型-表型差距，是主要的農業技術愿景之一（圖2）。基因發現整合了分子生物學和組學工具和程序，上圖所示。 接下來是概念驗證小組，其中包括基因轉移階段和各種組織培養操作。 轉化植株的早期發育發生在離體植株再生之后，產生各種性狀的候選植株。通過發現和概念驗證階段的候選植物在整個篩選和發育階段接受若干額外的評估和評估步驟，選擇表現出良好耐逆性的品系，同時保持其他理想性狀，如產量（數量和質量）、生長和發育。

今天的主要程序是使用傳統的、基于田間的選擇過程從數千種植物中選擇少數植物，這些過程需要整個季節和重復的大規模田間試驗。這個漫長的過程可能會持續數年并需要大量資源，從而限制了可以同時篩選的有希望的候選者的數量。我們設想開發一個高分辨率、高通量的診斷篩選平臺，用于研究全植物生理性能，作為表型篩選——“生理組學”（圖2）——從而彌合現有的基因型 - 表型差距。數百種承受多種壓力條件組合的植物可以在其生命周期的特定階段同時進行篩選。表型篩選系統可以顯著加速開發過程，并允許在受控標準和壓力條件下連續測量作物行為，在溫室的早期階段消除那些不太可能在田間試驗中表現良好的候選者。表型分析過程的成本是一個重要問題；然而，這項技術正在迅速發展，目前還很難估計成本。

圖3.植物作為生物材料的工廠

植物以相對較低且廉價的投入產出50多萬種次級代謝物。新的基因發現和改進的代謝組學數據、植物工程程序和工業平臺的可用性不僅可以提高食品和傳統植物衍生產品（如纖維和軟木塞）的產量，還可以提高新型非植物化合物的產量（圖3）。這些包括以下簡要提及的幾個主要類別，其中一些是潛在的有吸引力的石化材料替代品，可以在轉基因植物中生產。

雖然植物農業生物技術由于新的分子標記輔助作物育種和基因工程的實施而取得成果，但重要的是要將許多重大成就與幾個遺留問題區分開來，并指出未來的研發需求。在基因型水平上，基因組作圖和組學標記的使用帶來了令人印象深刻的進步，并成為幾種田間、園藝和森林植物育種的常規。在表型水平上，改良的農業技術（如精準農業）正在不斷發展，從而提高了農業、園藝和林業的產量和品質性狀。此外，正在開發新的高通量選擇系統，以實現對特定性狀的快速田間前篩選，并可能最終成為常規。因此，我們敦促采用系統生物農業綜合方法，同時考慮植物微生物組群，以在21世紀實現植物生物技術和農業的實質性進展。