馬鈴薯、羅非魚育種周期“年轉月” 基因技術破解農業育種難題

顯微鏡下，科研人員正精準地操作著基因“剪刀”；另一邊，計算機屏幕上，細胞如何應對高溫的精細“作戰圖”盡收眼底。

近日，西部（重慶）科學城種質創制大科學中心（以下簡稱種創中心）捷報頻傳。一方面，科研團隊首次發現了馬鈴薯細胞應對高溫的“內部通訊圖”，為培育更耐熱品種提供了精確導航。另一方面，科研人員發現了基因編輯的“新靶點”，讓魚類育種效率倍增。

▲西部（重慶）科學城種質創制大科學中心。曾誠 攝

這一植一漁的新突破，展現了種創中心在解決農業“卡脖子”問題上的創新實力，為保障糧食安全和推動現代農業發展提供了新的理論和技術。

PART 01

首次看清植物細胞如何“戰高溫”

馬鈴薯是全球重要的糧食作物，但有個“怕熱”的毛病，現在高溫已成為制約其產量和品質的主要因素。

以往，科學家研究植物耐熱性，通常是將整個組織或器官作為研究對象。這就像是通過觀察整個城市的用電量來推測每家每戶的用電習慣，難以區分不同類型細胞在應對高溫時的具體分工與協作機制。

▲各類細胞群與細胞分化過程中的差異表達模式。受訪單位 供圖

種創中心馬鈴薯團隊的呂典秋教授帶隊選擇了另一個研究方向。他們利用單細胞轉錄組測序技術，對超過77,000個馬鈴薯葉片細胞進行個體體檢，精確識別出了21個細胞簇，歸屬為6種主要細胞類型。

研究最關鍵的發現是明確了表皮細胞是應對熱脅迫的關鍵“前線部隊”。這些位于葉片表面的細胞在高溫下表現出最活躍的基因表達變化，調動了大量防御機制。這種單細胞層面的研究，意味著科學家現在可以像查看高清衛星地圖一樣，觀察植物在逆境中每個“社區”（細胞類型）的實時反應，而不再是模糊的“城市全景”。

通過構建熱應激響應共表達網絡，研究團隊鑒定出12個核心調控因子，并實驗驗證了轉錄因子StPIF4的重要作用——它通過增強活性氧清除能力，顯著提高了馬鈴薯的耐熱性。

▲StPIF4增強馬鈴薯在熱脅迫下的耐熱性。受訪單位 供圖

這項研究成果已于近期發表在《Plant Biotechnology Journal》上，為培育耐高溫馬鈴薯新品種提供了精確的分子靶點和全新策略。

過去育種家需要經過多年田間試驗篩選耐熱材料，而現在可以通過檢測這些關鍵基因的表達情況，在實驗室早期階段就預測材料的耐熱性能，大幅縮短了育種周期。

PART 02

基因編輯新思路讓魚類育種提速增效

在種創中心的另一實驗室，王德壽教授團隊則在基因編輯技術上玩出了“新花樣”，瞄準的是如何提升魚類育種效率的難題。

傳統的基因編輯技術（CRISPR/Cas9）常被比喻為“基因剪刀”，就是通過剪切基因的編碼區，從而達到“敲除”某個特定基因、研究其功能或創制新種質的目的。但這種方法有時會“剪是剪了”卻沒有達到效果，好比想剪斷一根繩子卻只剪開了一點毛邊，繩子還能用。

▲王德壽教授團隊另辟蹊徑，巧妙地將“剪刀”瞄準了基因進行剪接、加工的關鍵連接點——剪接位點。受訪單位 供圖

王德壽教授團隊另辟蹊徑，不再只盯著基因的主體內容（編碼區），而是巧妙地將“剪刀”瞄準了基因進行剪接、加工的關鍵連接點——剪接位點。這個位點就像文章段落間的銜接指令，一旦被破壞，整個基因的“閱讀”就會出錯，導致其功能幾乎百分之百喪失。

不同以往，科學家們現在有可能在短短一代時間內就獲得性狀明顯的突變體，無需再等待多代選育，將育種周期從“年”為單位縮短到“月”為單位，極大地加速了良種選育和基因功能研究的進程。在羅非魚的相關實驗中，這種新策略使有效突變率和表型率在子一代時就大幅度提高，30%的個體獲得了接近純合突變的表型。

▲王德壽教授團隊。受訪單位 供圖

這兩項研究雖然對象不同，一是植物，一是魚類；一重解析，一重創制，但都體現了現代種質創制的核心方向：精準、高效和可預測性。記者了解到，以上兩項科研成果均得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目支持，是西部（重慶）科學城“立足產業痛點、攻堅核心技術”的生動實踐。

種創中心作為這些研究的承載平臺，始終聚焦種質創制關鍵技術研發，搭建起從基礎研究到產業應用的完整平臺，正展現出種業芯片的創新活力。該種創中心相關負責人表示，未來將持續推動科研成果轉化，為種植戶和養殖戶帶來實實在在的效益，為我國農業種質資源創新和產業可持續發展提供有力支撐。