一个2 ℃气候变暖情景预计将使作物平均损失进一步加剧3%-13%，但几乎没有耐热的主要作物品种可以满足未来的粮食需求。
2024年12月13日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操团队在Cell在线发表题为“Engineering source-sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice”的研究论文。该研究利用先导编辑来设计源库关系，使番茄和水稻具有热应力恢复能力。
在这里，研究人员开发了高效的引物编辑工具，以精确敲入细胞壁转化酶基因（CWINs）启动子中的10bp热休克元件（HSE）。导入HSE后，CWINs在控制环境和田间环境下均能进行热响应性上调，以增强碳对籽粒和果实的分配。与热胁迫对照相比，水稻品种“Zhonghua11”的亩产提高了25%，番茄品种“Ailsa Craig”的亩产提高了33%，而果实质量没有受到降低。高达41%的热致谷物损失在水稻中得以挽回。除了通过有效地将定制的变化传递到作物基因组中来调整基因表达的启动编辑系统之外，还展示了靶向敲入顺式调控元件以优化源库关系和提高作物气候适应能力的广泛而强大的实用性。
到2050年，全球农作物产量需要翻一番，才能满足人口增长、饮食变化和生物燃料消费增加带来的需求。然而，目前的作物产量不足，预计将因气候变化的非生物胁迫负担而恶化。增加2℃在生长期使用会导致产量损失3%-13%。对于全球粮食安全而言，迫切需要快速开发“气候智能型”作物，这种作物在正常条件下可以实现更高的产量，在高温胁迫下可以实现稳定的产量，而育种瓶颈仍然存在。优化内部养分分配对提高作物产量具有重要的潜力。然而，大多数的努力主要集中在栽培管理上，而合理设计和分子控制养分分配一直是一个挑战。
高温逆境导致的番茄落花落果、品质低下，水稻秃尖、瘪壳等引起主要粮食和蔬菜作物大幅减产的农业生产实际问题，高温等农业逆境会抑制碳同化物从源器官到库器官的分配，造成落花落果、果实大小不均一、糖度低等。进一步研究发现造成这一现象的主要原因是细胞壁蔗糖转化酶（Cell wall invertase，CWIN）的表达被抑制，使得叶片运输来的光合碳同化物蔗糖无法有效地转化为葡萄糖和果糖以供应果实发育，造成落花落果，品质低下。如何将作物的碳同化物分配机制与抗逆“超敏反应”解耦联，使之具备感应环境变化自动优化分配的能力，是创制顺境高产、逆境稳产的环境智能型作物的关键。
机理模式图（图源自Cell）
该研究自主改造了先导编辑器（Prime editor），将一个10 bp的热响应元件（heat-shock element，HSE）精准敲入番茄内源细胞壁蔗糖转化酶CWIN基因LIN5的启动子靶向区。HSE的敲入并未改变LIN5的表达部位，而且赋予了其热响应上调表达的能力。碳同位素示踪实验表明，HSE的精准敲入增强了正常条件下糖分向果实的运输，显著缓解了高温条件下果实的“糖饥饿”，使番茄获得了感应温度变化自动“扩库畅流”的能力。
研究人员利用ROCS环境智能育种全新策略建立了包括顺式调控元件筛选、靶向位点选择、瞬时表达验证、基因编辑器改造、种质测产与性状评价等一系列方法在内的不同作物通用的高产稳产快速育种技术体系，首次在主要粮食和蔬菜作物中同时实现了“顺境增产，逆境稳产”环境智能型作物种质的快速创制，开启了环境智能型（Climate-smart）高产稳产作物设计的新时代。
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01321-7