作物改良的农业生物技术在气候变化中的应用希望还是炒作Word格式文档下载.docx
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如今,在世界各地,培育更能适应非生物胁迫的作物对粮食生产很重要。
气候的预期变化和气候的多变,特别是极端温度和降雨量的变化,使得作物改良对粮食生产更重要。
本文,综述了两个重要的生物技术方法,分子育种和基因工程以及他们与传统育种方法相结合培育更耐非生物胁迫的作物。
除了多学科的方法外,我们还探讨了一些需要解决的问题,从而,为实现农业生物技术的在可持续的作物上产中的全部潜力,满足在2050年预计能达到的90亿的世界人口。
Whyiscropimprovementnecessary?
Theintensificationofagricultureinmanypartsoftheworldoverthepastfivedecades,supportedbyappropriateresearch,institutionsandpolicies,hasledtoanincreaseinglobalfoodgrainproductionfromapproximately850milliontonsin1960to2350milliontonsin2007[1].Althoughglobalfoodproductionhaskeptpacewithpopulationgrowthoverthepast40years,almostabillionpeople,mostofwholiveinthedevelopingworld,remainundernourished[2].Ithasbeenprojectedthatglobalfoodproductionmustincreaseby70%by2050tomeetthedemandcausedbythisgrowingglobalpopulation,increasingincomesandconsumption.Foodinsecurityhasalsoincreasedinrecenttimesinseveralregionsoftheworldowingtocompetingclaimsforland,water,labor,energyandcapital,whichisleadingtomorepressuretoimproveproductionperunitofland[1].Globalclimatechangeislikelytoincreasetheproblemsoffoodinsecurity,hungerandmalnutritionformillionsofpeople,particularlyinsouthAsia,sub-SaharanAfricaandsmallislands[3–5],andalsofurtheraggravatethecurrenttrendsinlanddegradation,especiallyinsemi-aridtropicalregions[6].
为什么必须进行作物改良?
在过去的五十年里,世界的很多地方,农业的集约化受到适当地研究,体系,政策的支持,它引起了全球粮食产量的增长,由1960年的大约85亿吨增加到2007年的235亿吨。
在过去的40年里,尽管全球粮食产量跟上了人口增长的速度,大约有10亿人口(大部分生活在发展中国家)仍然营养不良。
预计有全球粮食生产到2050年必须增加70%,来满足人口增长、收入增长、消费增加带来的需求。
近些年来,由于领土、水资源、劳动力、能源、资本的竞争,在世界的很多地区粮食安全问题日益严重,这对单位土地上的产量的增加带来了更大的压力。
全球气候变化又加重了成千上万人的粮食安全,饥饿,营养不良问题,尤其是在南亚,撒哈拉以南的非洲和小岛国。
也加重了现在土地退化的趋势,尤其是在半干旱的热带地区。
Whereasglobaltemperaturesarepredictedtoincreaseby2.5–4.3°
Cbytheendofthecentury[3],withsignificanteffectsonfoodproduction[4,5,7,8]andmalnutrition[5],itisalsoevidentthatagricultureiscurrentlyaffectedbyincreasingclimatevariability,especiallytemperature[9,10].Forexample,ithasbeenestimatedthatrisingglobaltemperaturesbetween1981and2002reducedtheyieldsofmajorcerealsby$5billionperyear[9].HeatwavesanddroughtinEuropein2003[11]significantlyreducedproductivity[e.g.maize(Zeamays)yieldinnorthernItalyby36%].In2009/2010,heatwavesalsoaffectedwheat(Triticumaestivum)productionincentralAsia,andextremefloodingaffectedagriculturalproductioninsouthAsia.Inadditiontothechallengeoftemperatureextremes(hotandcold)anddroughtorwaterstressaswellasfloodingassociatedwithclimaticvariability,theincidenceandseverityofbioticstressessuchaspests,diseasesandtheinvasionofalienweedspeciesarealsolikelytobegreater.Croppingsystemsatgreatestriskincludewheatandrice(Oryzasativa)insouthandsoutheastAsiaandmaizeinsouthernAfrica[8,12–14].
然而,到本世界末,全球温度预计将增加2.5—4.3°
C,这对粮食生产和营养失调造成了重大影响。
当前,农业深受快速的气候变化的影响是显而易见的,尤其是温度的变化。
例如,据估计,1981年至2002年间,全球气温的上升使主要谷类作物每年减产50亿元。
2003年,在欧洲,热浪和干旱大大降低了生产(例如在意大利北部,玉米减产36%)。
在2009年—2010年,在中亚,热浪还影响了小麦的生产,在南亚,极端洪水影响了农业生产。
除了应对极端温度(热或是冷)、干旱、涝害以及洪水带来的气候变化之外,非生物胁迫的爆发率和严重性,如虫害和病害以及外来物种的入侵也可能会更加厉害。
在南亚和东南亚的小麦和水稻以及南非的玉米等耕作制度遭受到的风险最大。
Inthecontextofcurrentclimatevariability,aswellaspredictedincreasesinmeantemperatureandannualprecipitation,whatdorecentadvancesinagriculturalbiotechnologyofferthegeneticenhancementofagriculturalcropssothattheyarebetteradaptedtobioticandabioticstresses,leadingtohighercropproductivity?
Inthisreview,wecriticallyexaminetherolethatagriculturalbiotechnologycouldplayinaddressingbioticandabioticconstraintstogreaterfoodproductivity.
在当前气候变化的背景下,以及将来平均温度和年降雨量的增加,有什么最新的农业生物技术研究使农作物遗传增强以便使他们更好地适应生物和非生物的胁迫,从而获得很高的作物产量吗?
本文探讨了农业生物技术在生物和非生物胁迫下对粮食生产增长的影响的作用。
在这篇综述中我们严格审查了农业生物技术在生物因素和非生物约束条件下仍然获得更大的粮食产量方面所发挥的作用。
Biotechnologicalinterventions
Theobjectiveofplantbreedingforstressenvironmentsistoaccumulatefavorableallelesthatcontributetostresstoleranceinaplantgenome.Genesthatconferstressresistancecanbesourcedfromgermplasmcollections,includingwildrelativesofcropsthatareheldingenebanksororganismsthatcurrentlyliveinthehabitatsofwaterdeficitorexcess,extremetemperatureandsalinitythathaveevolvedtocopewiththoseconditions[15].Althoughsomeprogresshasbeenmadethroughconventionalbreeding[16],breedingforabioticstresstoleranceisconstrained:
(i)bythecomplexnatureofabioticstresstolerance(timing,duration,intensity,frequency)andtherebyitsquantificationandrepeatability;
(ii)becauseundesirablegenesarealsotransferredalongwithdesirabletraits;
and(iii)becausereproductivebarrierslimitthetransferoffavorableallelesfromdiversegeneticresources.
生物技术措施
植物抗性育种的目标就是聚合对基因组中有抗性的有利等位基因。
抗性基因可以由种质资源的收集中得到,包括基因库中保留的野生品种,或当前生活在缺水或过量的水,极端温度,盐度的环境的生物,这些生物已经进化得可以应对这些不利环境。
虽然通过常规育种已取得一些进展,但是抗逆育种仍然受到限制:
(i)非生物抗性的复杂性(耐受时间,持续性,耐受强度,逆境的频率),和因此造成的量化和再现性。
(ⅱ)因为不良基因会和控制优良性状的基因一起转移(ⅲ)生殖障碍阻碍了优良等位基因在不同基因资源的转移。
Biotechnologyisaviableoptionfordevelopinggenotypesthatcanperformbetterunderharshenvironmentalconditions,particularlyfor(ii)and(iii)above.Forinstance,advancesingenomicscoupledwithbioinformaticsandstressbiologycanprovideusefulgenesorallelesforconferringstresstolerance.
对于培育在恶劣环境下表现更好的品种,生物技术是可行的方案,尤其是上述所提到的(ⅱ)和(ⅲ)。
例如,基因组学综合生物信息学与逆境生物学的发展可以为抗逆性提供有用的基因或等位基因。
Superiorgenesoralleleswheretheyhavebeenidentifiedinthesamespeciescanbetransferredintoelitegenotypesthroughmolecularbreeding(MB).Moreover,byusinganapproachsuchasgeneticengineering(GE),thereisnobarriertotransferringusefulgenesorallelesacrossdifferentspeciesfromtheanimalorplantkingdoms.Asaresult,biotechnologyapproachesoffernovelstrategiesforproducingsuitablecropgenotypesthatareabletoresistdrought,hightemperature,submergenceandsalinitystresses(Figure1).KeystrategieswheregeneticenhancementforabioticstresstolerancehasledtocropimprovementareoutlinedinBox1.
通过分子育种,同一物种的优良基因或优良等位基因能够被转移到优良基因型中。
此外,通过某些技术例如基因工程,动物界或植物界不同物种间有益基因或等位基因的转移是没有障碍的。
因此,生物技术方法能提供新的策略来产生能抵御干旱、高温、水淹、盐害的适当作物基因型。
作物改良的非生物胁迫抗逆基因强化的关键措施在图1中概述了出来。
SeveralkeyapproachesforimprovedcropproductivityinanenvironmentwithhightemperaturesandhighCO2havebeendiscussedinrecentreviews[17,18].Similarly,Ainsworthandcolleaguescriticallyanalyzedthebiotechnologicalapproachesthatcouldbeusedtodevelopcropswithpotentiallyimprovedproductivityinanenvironmentwithhightemperature,highCO2andhighozone[19].Theseincludedmanipulatingleafphotosynthesis,photosynthatepartitioning,totalbiomassproductionandnitrogenuseefficiency(NUE)(seeGlossary).ImprovedNUEincropsshouldleadtoreducedfertilizerapplicationandtherebyloweremissionsofgreenhousegasesintotheatmosphere.Morethan50%ofallUSgreenhousegasemissionsfromagricultureareassociatedwithfertilizerapplicationandothercroppingpractices[20].Ratherthanfocusingonindividualstresses,thebiotechnologycommunityshouldusebiotechnologicalapproachestotacklemultiplestressesdirectlyunderfieldconditions[21].Ourincreasedunderstandingofthemolecularandgeneticbasesofabioticstressresponsesinplantsshouldenableustousecrop-specificMB,GEandpreferablyintegratedprogramstointroduceresistancetomultiplestresses.
近期的研究中讨论了几个在高温和高CO2浓度环境中的改善作物生产力的关键技术。
同样地,Ainsworth和他的同事对生物技术手段进行了精密的研究,这些技术手段能用于培育在高温、高CO2和高臭氧环境中能够激发作物生产力潜能的作物。
这包括控制叶的光合作用、光合产物分配、总的生物产量和氮利用效率。
提高作物的氮利用率可以减少施肥量,从而使温室气体在大气中有更低的排放量。
全美国来自农业的温室气体排放量有超过50%的温室气体的释放与施肥和其他的栽培措施有关。
生物技术工作者们应该应用生物技术的手段直接地解决大田中的多种逆境胁迫问题,而不是只关注单个逆境胁迫。
对植物逆境响应的分子和遗传基础了解的增加,我们可以运用特定作物的分子育种和生物工程技术及两者较好的结合来引进多种胁迫的抗逆性。
Keyagriculturalbiotechnologyapproaches:
prospectsandprogress
Molecularbreeding
Significantadvanceshavebeenmadeintheareaofgenomicsoverthepasttenyears.Genomesequencesareavailablenowformanycropspeciessuchasrice,[22–24],poplar(Populustrichocarpa)[25],sorghum(Sorghumbicolor)[26],maize[27]andsoybean(Glycinemax)[28].Furthermore,theadventofso-called‘next-generationsequencing(NGS)technologieshavemadeitpossibletosequencethetranscriptomesorgenomesofanyspecies(andforanynumberofindividuals)relativelyquicklyandcheaply[29].Asaresult,genomesequenceshavestartedtobecomeavailableforlessstudiedcropssuchascucumber(Cucumissativus)[30],pigeonpea(Cajanuscajan)(http:
//www.icrisat.org/gt-bt/IIPG/home.html)andlargeandcomplexgenomespeciessuchaswheat(http:
//www.genomeweb.com/sequencing/wheat-genome-sequenced-roches-454)andbarley(Hordeumvulgare)(http:
//barleygenome.org/).Thesegenomeortranscriptomesequencescoupledwithgeneticapproachescanbeusedforidentifyingsuitablegenesconferringstresstolerancethatcanb