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下一个浆果大作物要来了?

2018-10-24 09:35来源:《中国科学报》

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  菇茑

  ■记者 王方

  草莓、蓝莓、黑莓、树莓,还有——菇茑?是的,菇茑这个鲜为人知的水果或将成为下一个浆果大作物。

  美国冷泉港实验室植物学家Zachary Lippman、康奈尔大学博伊斯汤普森植物研究所的Joyce Van Eck及其同事们将基因组学和基因编辑技术结合在一起,以迅速改善菇茑诸如果实大小、植物形状和花序结构等性状,从而为其成为主流农业产品做准备。

  他们的研究结果表明,在几年之间让一种野生植物接近驯化是有可能的。这是传统植物繁殖技术的一个捷径。这项成果近日发表在《自然—植物》杂志上。

  什么是“孤儿作物”

  “我坚信,通过正确的方法,菇茑可以成为主要的浆果作物。”Lippman表示,“很多科学家只认为这是个有意义的想法,但我认为现在我们正处在一个技术允许我们到达的地方。”

  对于种植者来说,新的农作物意味着多样化的机会,并为消费者提供更多选择。Lippman说道,“下一个主要浆果作物已经跟食品生产商‘躲猫猫’好多年了,现在是时候出现了。”

  菇茑就是一个颇具吸引力的候选者,因为它耐旱且有诱人的味道。“你必须品尝水果才能完全掌握它的复杂性。”Lippman说。他描述这种水果是热烈的、酸爽的,时而带有一点香草的味道。

  菇茑,也称为外壳樱桃、草莓番茄,原产中南美洲,属于被称作“孤儿作物”的植物群体。孤儿作物是小规模、地区性的作物,或是只为了维持生计而种植,它们由于货架期差、生产效率低等原因,很少成为主流农业产品。

  中国农业科学院特产研究所研究员李昌禹向《中国科学报》记者解释道,在生产上大规模栽培的作物品种有如下特点,首先是品质好、产量高、抗性强(抗病、抗盐碱、耐瘠薄、抗风等),并且在当地推广优良品种规范化栽培技术,更要有产业链,包括产前、产中、产后及规模化加工。

  “如此才能成为受欢迎的好产品,而有些作物可能不能具备全部这些特点,大规模开发利用就有问题。”李昌禹表示,被称作“孤儿作物”的只是有一定价值,但利用价值有限或受众群体小的品种。虽然其有鲜食或制汁造酒的品质,但风味或某个性状不为大众喜爱,因此需要改良。

  他同时指出,“实际上,物以稀为贵,奇货才可居。‘孤儿作物’的存在因其稀有性和商业价值,不是坏事。”

  科学育种的魅力

  “在全球不同的地方驯化野生植物,可能需要几十年甚至上千年时间。通过育种提高这些植物的大规模生产能力是需要巨大的时间和金钱投入的。研究人员和种植者需要找出植物的遗传信息,研究如何适应环境并培育它们。”Lippman表示。

  李昌禹告诉记者,“野生种驯化需要一个过程,是从一个品系的引种、观察、扩繁、评价,再进行区域适宜栽培技术的过程。若区域化表现优异,才可申报品种鉴定,定为品种,一般需要20年。”

  他以山葡萄为例进行说明。若只是利用植物其中的一个优良性状来育种,如山葡萄的抗病性抗寒性,仅这种生物信息的转移就需要十几次的杂交,从几千甚至上万株杂交后代中连续选择,才能固定到一个品质优良但原本不具上述抗病与抗寒性状的品种染色体上,这一般需要35~40年。

  “必须有详细的科学计划,需要2~3代科学工作者的不懈努力、必要的资金支持。”在李昌禹看来,“这就是常规育种,也是科学育种研究魅力之所在。”

  这也是为什么孤儿作物很少成为家喻户晓的名字的原因。比如藜麦就是这样,当然如今它已经在超市里很常见了,在农产品中也名列前茅,但像落花生、苔麸等,在除了它们家乡以外的地方,仍然不为人所知。

  “常规育种好比练内功,需要很大毅力和很多时间的堆砌,千锤百炼,层层递进,孤独寂寞,常人难为,最后才能达到预定的目标。这些品种可以作为国家自主知识产权品种,从而使育种工作走得更远。”李昌禹说。

  基因编辑的力量

  一些消费者可能已经对菇茑比较熟悉,就像它的“亲戚”树番茄,都覆盖着薄薄的纸质外壳,但菇茑确实不易生长。现在,借助Lippman和Van Eck研发的特质,菇茑可以被定位为大规模生产的水果。

  “‘孤儿作物’优点是品质优良,缺点是某一性状不好,不是受大众欢迎的品种,而是一种有一定市场需求的补充性的短季高档果品。”李昌禹说道,“其不良性状,在现阶段快速发展的基因组学基础上,是可以被定位的,也有生物技术手段予以改造。”

  基因编辑技术如何给菇茑这样的孤儿作物带来农产品优势?科学家目前利用基因编辑技术来设计玉米、大豆等许多主流作物的理想性状,但到现在为止,还没有人使用这项技术来支持孤儿作物。

  为了让菇茑做好登上商店货架的准备,Lippman和Van Eck需要摒弃它的缺点。研究人员希望菇茑的叶片形状更紧凑、果实更大、开更多的花,为此采用了三管齐下的办法:对其基因组取样进行测序,找出如何在植物中使用基因组编辑工具的办法,并确定菇茑不良性状的基因。

  这项基因组学工作依赖于以前Lippman和其他人在番茄上做过的研究。知道了哪些基因控制番茄性状,研究人员就可以在其“远亲”菇茑中发现并操纵那些相同的基因。

  接下来,Lippman希望继续微调、改良菇茑的某些特性,如颜色和风味。他指出,一些传统的植物育种方法仍然是完善菇茑作为主流作物的必要条件。

  此外,Lippman希望他和团队的工作将激励研究人员研究其他孤儿作物,并思考这些作物如何具有快速驯化的潜力。“现在已经示范了一种可能性。”他说道。

  与此同时,一个值得注意的问题是,“‘孤儿作物’本来是稀有物种,改造后变成了主流物种,打破了果品生产格局,新的竞争会残酷地加剧升级,直至新的平衡。是好是坏?很难下结论。”李昌禹表示。

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