Nature.丨基因改造可以提高作物产量——但不要过度吹捧其效果

论文内容

研究背景：

在过去的二十年里，许多期刊都发表了关于修改一个或几个基因如何导致作物产量大幅增加的论文，其增加的幅度为10%至68%，分析的作物包括水稻、玉米、烟草和大豆等作物。这些研究为分子生物学和基因发现提供了重要的见解。但许多测试的结果是在温室或小规模田间试验中进行的。极少部分的研究使用了评估现实环境中作物性能所需的实验设计，并且几乎没有任何发现能够转化为实际农场产量的增加。特别是在气候变化和人口不断增长的背景下，有关产量的误导性说法的增加已成为我们关注的一个问题。为了鼓励更具影响力的科学，我们要求研究人员、审稿人和期刊编辑确保每当声称单个基因或几个基因对作物产量的影响时至少满足五个标准。此外，我们还敦促各个学科的研究人员比目前更多地合作，并使用成熟的产量测试方法。

研究内容：

关于引入其他物种的基因或使用基因编辑技术 CRISPR-Cas9 修改一个或多个基因可能对作物产量产生影响的报道引起了媒体的广泛关注。然而，几十年来使用的更传统的植物育种方法描绘了未来几十年基因改造在产量方面可能实现的截然不同的前景。育种家和数量遗传学家认为作物生产力的真正突破意味着单代产量增加了1-5%。这些经过验证的增长来自涉及世界各地多个地块和地点的多年实验。尽管看似不大，但在全球总产量的背景下，这些增长实际上是显着的。

以位于印第安纳州印第安纳波利斯的种子公司 Corteva Agriscience 开展的长达 20 年的项目为例，该项目的结果于 2021 年发表在《植物科学》杂志上。研究人员测试了来自 47 个物种的 1,671 个基因对玉米产量、氮利用、水利用和其他性状的影响。这些基因中只有1%（22 个基因）在最初的试验中增加了足够的产量，可以进行更深入的研究。在随后的几轮测试中，只有一个基因——编码转录因子的 zmm28——提高了产量。

为了探究 zmm28 在田间的影响，研究人员引入了基因变化，导致该基因在两个优良自交系中过度表达。（过去 100 年的严格选择已经产生了玉米优良自交系，它们可以产生高产杂交品种。）用来培育 48 种杂交植物，并在全世界58个地点进行了 4 年多的测试。所有这些田间测试表明，zmm28的过表达可以使玉米产量增加约2%。数以千计的基因间接影响作物产量。仅在玉米中，大约有20~30个基因可以改变叶子的角度，使农民在过去 100 年左右的时间里将农场的植物密度增加了3~4倍。观察到的产量增长中约8.5~17%可归因于种植密度的增加。

但产量本身是一个高度复杂的多基因性状——这意味着它受到数千个变体的控制，每个变体的影响都很小。尽管单个基因可以影响产量，但这些基因总是与土壤和肥料管理制度以及涉及作物驯化和适应的数百个其他基因等一起发挥作用。例如，绿色革命中农作物产量的急剧增加源于将基因变体Rht-B1和Rht-D1引入小麦，将sd1引入水稻，并结合更多地使用复合肥料。这些变化降低了它们在强风中受损的可能性。考虑到这些因素，声称单个基因或几个基因会影响产量的已发表研究都没有在类似农场的条件下得到验证。

但为什么这些说法一开始就被公布呢？我们认为主要原因是研究团队缺乏适当的专业知识，期刊编辑没有咨询具有专业知识广度的同行评审员。如果团队中没有植物育种家、定量遗传学家或农学家（专注于土壤和农业实践的研究人员），研究人员可能无法确保使用适当的实验设计进行产量评估。同样，如果没有足够的审稿人和编辑熟悉大规模作物试验中实验设计和统计数据的复杂性，关于产量增加的有问题的说法可能会在已发表的论文中持续存在。在《Nature》或《Science》等高影响力的非专业期刊中，问题可能源于编辑与作物育种和定量遗传学专家没有足够的联系，这些专家受过严格审查田间实验和产量试验的培训。这些期刊上的论文往往只用几句话来描述温室实验或小规模田间试验的结果。审稿人更有可能是分子生物学家或遗传学家，并将大部分注意力集中在论文的主要贡献上——通常是由遗传改良引起的分子生物学变化。我们认为，对作物产量具有重大有益影响的基因不太可能存在。

提出措施：

研究结论：

玉米、大米、小麦和大豆共同提供了世界农业热量的三分之二然而，由于气候变化和人口增长，这些作物的产量提高率不足以满足预期需求。面对全球粮食安全面临的巨大挑战，我们敦促研究人员采用久经考验的方法来准确测量基因变化对作物产量的影响。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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