植物表型组学——用前沿科技铺陈未来农业画卷
2023-12-15 80

  保障粮食安全,重在解决种业科技基础研究和前沿技术的源头创新,培育突破性重大品种。植物表型是现代信息技术与农业科技的深度交叉融合,被公认为世界第三次粮食产量跨越的科技前沿,抢占植物表型研究的科技制高点,对于振兴种业、保障粮食安全至关重要。

  表型,是指一个生物体可以观察到的性状或特征,它和我们的生活息息相关,西红柿的大小、风味;玉米的糯性、甜度;棉花纤维的颜色,花的形状颜色等都是表型。顾名思义,基因之外皆为表型(图1)。植物表型是指植物群体和个体可以通过一定手段测定的诸如形状、大小、结构、颜色等的外在表现、以及除基因组(genome)以外的其它组学(如转录组、蛋白组、代谢组、离子组等)特定表达特征与生理生化过程。我们把这种表型集合称为表型组,研究基因型与环境互作,控制表型组形成的科学就是表型组学。

  植物表型主要是面向世界种业科技前沿和农业产业主战场。联合国粮农组织数据显示,到2050年,全球人口可能达100亿,粮食产量需要增加70%才能保障未来食物需求。在土地资源有限的前提下,不断提高单位面积产量是保障粮食安全的唯一途径。

  目前我国小麦、水稻单产进入增长平台期,玉米、大豆等作物单产与国际上存在较大差距,亟需发掘创制突破性的种质资源。此外,我国经济已经由高速增长阶段转向高质量发展阶段,现有品种和优质功能型农产品难以满足农业产业升级和多元化消费市场需求。

  植物表型关键装备和核心算法被国外垄断,成为限制我国种业产业发展的重要瓶颈。发达国家和大型种业跨国公司经过长期的积累,在作物种质资源鉴定评价、新基因挖掘与生物技术育种利用上形成了非常好的产业化链条,控制着国际种业市场70%以上的份额,掌控着植物表型的关键知识产权。我国现代育种仅有二十多年历史,商业化育种技术体系尚不完善,作物育种原创性技术较少,植物表型的关键装备和核心算法依赖进口,价格昂贵且受制于人,成为限制我国种业产业发展的重要瓶颈。

  面对复杂多变的国际形势和保障粮食安全的重大战略需求,植物表型新技术是攻克种质资源优异性状高通量精准鉴定难题、进而发掘创制突破性的种质资源的关键。因此,我们急需加强创制原创表型设备,特别加强在传感器、关键算法和智能装备等领域的自主研发能力,满足基础研究,育种,生产,农机装备等不同用户的广泛需求,促进生物种业,绿色生产,智能农业装备等产业高质量发展。亟待构建具有自主可控核心技术的植物表型高通量智能鉴定系统,其国内及国际市场潜力巨大,对于提升农业经济主战场科技创新能力,推动我国种业健康发展具有重要意义。

  表型组学是当前科学界公认的生命科学前沿,是解析生命规律的关键。2016年,美国自然科学基金会将表型组学列为未来六大研究前沿领域之一。2018年,自然杂志将连接基因型和表型,列为改变生命科学研究的六大技术之一。2019年,美国国家科学院、工程院和医学院联合发布了《Scinece Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030》研究报告,提出数据科学和信息技术是农业领域的战略性关键资源列为五大研究方向之一。

  从表型组学的发展历程来看,呈现出几个趋势(图3)。第一个趋势是表型获取向着高通量、高精度、高维度的方向发展。第二个趋势是表型观测向着全尺度、全时段、全生境方向发展。第三个趋势是表型提取向着深度、精细、动态方向发展。第四个趋势是表型-基因-环境关联分析向着多生境整合分析方向发展。因此,我国必须加强植物表型组学的研究布局,抢占未来科学制高点。

  欧美澳等主要发达国家对植物表型领域投入了大量的时间和经费来建设可共享的室内外植物表型研究中心,而且还出台了多项国家级的研究计划,例如由欧盟研究理事会资助的欧洲植物表型联盟(European Plant Phenotyping Network, EPPN2020)和旨在共享欧洲各国表型设施的EMPHASIS计划,英国最新设立的国家植物表型组计划PhenomUK,由美国国家科学基金会和能源部共同资助的TERRA-REF平台计划,法国建设了“国家植物表型重大基础研究设施PHENOME”,构建了遍布各主要粮食作物主产区的高通量智能化表型平台,支撑了种业科技基础研究、加速了品种改良进程,对巩固法国农业科技的世界领先地位起到重要作用。

  中国植物表型研究距离国际一流水平有一定差距,但国内也有一些科研单位建立了小型的植物表型研究平台。2013年中国农业科学院生物技术研究所在中国农业科学院国际农业高新技术产业园,建成了我国第一个全自动高通量3D成像植物表型研究平台。2014年华中农业大学“作物遗传改良国家重点实验室水稻表型组研究团队”和华中科技大学“生物医学光子学研究中心联合研发团队”研制了一种全生育期高通量水稻表型测量平台。

  从2016开始,南京农业大学就谋划开展植物表型相关研究,并于2017年创建了国内高校第一个作物表型组学交叉研究中心,2020年,学校打造了“前沿交叉研究院”这一学术、人才“特区”,面向国家战略、紧盯交叉前沿、集聚创新力量,将植物表型组学、生物信息学等作为研究院的重点方向实体化建设运营。

  五年多来,前沿交叉研究院作物表型组学交叉研究中心已经汇聚了国际、国内一流科研人员50余名,与英国、法国、日本等国际一流科研机构深度合作,组建了一批国际化顶尖科研团队。先后获批教育部“植物表型”工程研究中心、科技部“作物功能表型性状发掘与利用中法联合实验室”、江苏省外国专家工作室等多个省部级科研平台,拥有国内在该领域设立的首个交叉学科“植物表型组学”,已招收培养研究生100余人,承担国家及省部级科研项目20余项,同时创办了领域内第一本Plant Phenomics英文期刊,被SCI收录(IF约 6.9)。

  作物表型组学交叉研究中心各科研团队围绕全方位、全生育期的室内和田间高通量表型监测平台,在全谱段立体式多模态表型传感器研制、多尺度田间高通量表型自动化平台研发、全要素表型性状时空动态估算算法开发、表型大数据的种质资源筛选和智慧农业全方位应用等方面开展了广泛深入的研究,致力于突破生物育种和农业智慧管理等关键核心技术,开发突破性新品种和智能农业装备,进而提升我国生物种业、智慧农业发展水平,引领世界植物科学研究前沿,促进农业高质量发展,提升农业现代化水平,全面助力农业强国建设。(作者:南京农业大学前沿交叉研究院 盛馨、刘守阳)