2019年11月6日，Nature杂志在线发表了来自美国加州大学圣地亚哥分校Julian I. Schroeder课题组等题为“Genetic strategies for improving crop yields”的综述文章。该文章讨论了利用植物科学解决绿色革命后农业挑战的潜力，并探索了在气候变化中增强作物可持续生产。 此外，该文还认为加速作物改良必须利用自然进化的性状和合成生物学。
1960年代的绿色革命使主要的主粮作物（小麦，玉米和大米）的产量急剧增加，从而满足了全球人口不断增长的需求。这主要依赖于优良品种育种及杂交作物的发展、肥料的应用以及通过大量公共投资来提高管理水平来实现的。到1980年代，通过基因改造使作物具有抗除草剂和抗虫的特性，大大减少了土壤耕作和杀虫剂的使用。最近的基因组技术加快了育种和性状的发展，从而提高了环境适应能力和生产力。同时，作为育种方法的补充，通过使用CRISPR-Cas技术进行基因组定向编辑，改造基因及信号途径的时空调控进展日益加快。未来几十年的农业必须在高度变化的气候中满足对营养食品和动物饲料的需求，并且还必须减轻农业对环境的影响。应对挑战的关键是对遗传变异以及分子，细胞和发育途径的更深入了解，植物通过该途径动态响应其环境和病原体并与其互动，同时保持生长，养分利用效率和适应性。一个重要且新兴的重要目标是优化光合作用，水和养分利用的效率，包括促进植物与微生物之间的有益相互作用，从而促进养分的获取。该文回顾了植物科学领域的进展和后绿色革命的挑战及展望了未来发展的方向！在蛋白质结构水平上阐明受体-病原体识别和激活机制的进展为合理设计受体蛋白提供了策略，这些受体蛋白可以拦截更广泛或替代的疾病因子。然后可以将新设计的抗性性状转移到农作物的优良品种中，以赋予对现代疾病的抗性。如在田间试验中，将抗白粉病的小麦Pm3e抗性基因转移到易感小麦品种上产生了有效的抗病性。此外，将具有来源不同种质的识别模式和环境最佳条件的几种抗性基因堆叠到单个背景中，是获得更持久的抗病性的可靠策略。另外，考虑到当前的气候趋势，要在高产作物上获得持久的抗性，就需要对病原体种群动态和植物寄主对温度的反应有更多的了解。与气候变化相关的非生物胁迫破坏了产量，包括洪水，干旱，土壤盐分和极端温度。通过鉴定与关键性状和信号转导途径相关的基因，随后进行育种或工程改造来改善作物。现代农作物在迅速散布其叶冠层以最大程度地拦截光线以及将碳和营养物质分配到种子方面非常高效。然而，农作物通过光合作用将吸收的光能转化为糖的效率不高。理论目标包括扩大和优化由叶冠层捕获的光，在光系统II上更快速地师范非光化学猝灭，增加Rubisco酶的羧化能力以及最小化氧合和光呼吸，增强光合酶的再生能力，减少碳循环，优化电子传输链，将农作物从C3代谢转变为C4代谢，并添加蓝细菌或藻类系统的成分来泵送CO2或分隔Rubisco等等途径。对于通过光合作用固定的每个碳原子，农作物都会通过叶片的气孔孔损失100至400个水分子。叶片内部CO2浓度的增加导致气孔孔径的减小。大气中二氧化碳的持续增加使气孔变窄，这可以提高农作物的用水效率。因此，需要对CO2响应途径有一个完整的了解，以优化和测试现场的用水效率和气体交换策略。
作物的产量在很大程度上取决于目前主要通过施用无机肥料提供的充足营养。平衡光吸收和养分吸收对优化产量至关重要。可以通过改变控制生长和养分利用的转录因子的平衡来弥补氮的不足。育种还可以通过优化生根系统，养分转运活动和分配来减少养分失衡。在自然生态系统中，植物经常与有益的微生物接触，这些微生物有助于摄取有限的养分，因此需要更多的研究来从农业中的菌根结合中获得收益。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1679-0
