根据可持续发展目标2030年,世界应实现零饥饿和营养不足但要实现目标,植物育种者必须提高植物质量,以便至少产生比现在多出一倍的植物。这并不是件易事,因为我们只有几年时间,但考虑到植物育种程序通常需要几年才能产生改良基因型,以及进一步改良的植物应该面对昆虫、疾病和其他非生物因素,这些因素随着当前气候变化而增加。在这次审查中,我们将讨论世界饥饿状况和剩余可用土地增加粮食生产问题,指出生物非生物因素对粮食生产的影响,并介绍可用来收割植物养殖的一些方法。

最近植物育种者受到警告说,应大幅提高农业生产,以应对全球日益增长的人类对农作物需求[1]提高食品安全减少未来饥饿风险然而,由于可用可耕地减少和当前气候变化以及作物生长环境条件等原因,增加农业生产变得更加困难。迄今,约70%的世界土地目前使用[2]

Tillman等预测[3]指出,从人均消费来看,根据Ray等预测,2050年之前作物需求增长100-110[4] 粮食生产逐年增长显示,到2025年和2050年将不足以满足粮食需求(表1)。额外可用土地需要尚不存在, 种植主要作物并养活世界发生这一切是因为世界人口增长速度快于同时实现作物生产/面积

另一方面,联合国、经社事务部人口司的最后预测[5]指出,2050年人文增长将实现100亿人民,持续增长到2100年,预计2100年将实现生死均衡(图1)。持续增加人口使恢复能力物种的作物遗传改善成为优先级[6]

最近更新显示,世界饥饿正在缓慢增加,约8.2亿人现在感到饥饿,而营养不良者从2018年增加10.8%至2019年[27]今日LABORDE等发布警告[8] 广告COVID-19大流行状态正在对粮食安全产生重要影响,因为收入国减少了获取粮食的机会从这个意义上讲,联合国粮食及农业组织(粮农组织)首席经济学家Torrero建议世界各国应联手避免全球粮食危机,因为没有粮食就没有健康去年11月6日^线程世界粮食计划署(WFP)与粮食及农业组织(FAO)一起警告四国有饥荒风险,据FAO-WFP称,[10],20个国家被确定为饥饿热点

非生物压力对粮食生产的影响

预测人类增长和全球气候变化预期效果加之生物和非生物压力将应对提高作物产量的重大挑战,因为大约70%的土地已经用于生产食品并用于其他目的(Clay,2011年)。除此以外,还需要通过可持续农业实践生产粮食,这些实践已经受到数大环境因素[11] 的危害,以减少土壤环境影响,但土壤严重破损[3]为了避免未来出现饥饿,一些研究显示,到2050年全球粮食生产量应翻番,以支付预测不断增长的粮食需求[3]

Rodriguez等[12],极端温度、干旱和盐度介于降低植物生产率的主要非生物因素之间环境条件和气候条件变化预期会促进新的虫害和疾病的出现,减少植物抗药性[1]De Storone和Geellen最近检测到的另一个问题[13]是高温可诱发染色体恢复所报告问题的一个后果是聚pliod植物增加,因此这些个体将降低生育率水平,这是未来另一个重大挑战,迄今尚未审议。

全世界玉米、大豆、大米和小麦总产量下降33%的原因是气候变异[14]这些值对于计数并处理植物育种仍然很重要,因为非生物压力如高/低温、干旱、盐度等对提高作物生产率和世界几个地点的种植构成重大挑战当前,在遗传和生理控制非生物抗药性知识方面大有进步,数个基因在年度和常年物种中识别[15],例如控制盐碱抗药性基因[16]和抗旱耐药性[17]植物非生物应激抗抗药性后发调知识也大有提高[18],如植物盐度和抗旱性[19]

卢卡斯说,从2001年到2003年全世界因杂草、害虫、病原体和病毒而造成的损失大约26.3%大豆、28%小麦、28.8%棉花、31.2%玉米、37.4%大米和40.3%马铃薯约三分之一的作物总产量将损耗虫害和疾病持续损耗作物生产是实现全球粮食充足性的主要障碍[21]幸运的是,在遗传控制开发生物疾病知识方面以及在可用于控制生物疾病的战略方面都取得了长足进步[1]

尽管在作物种类疾病控制方面取得了进展,但仍有几种受虫害和疾病影响的作物种类对植物生产产生显著影响并减少影响[1]生物生存需要持续保护 避免病原体攻击像细菌、病毒、真菌、米科普拉斯马等植物种类使用荷尔蒙保护自身,荷尔蒙是植物信号转换中最重要的复合物[24]信号会启动不同层次的防御 以确保健康植物幸运的是,考虑到自然环境中的高病原体多样性,规则仍然是'健康'[25],而疾病发生只有在下列两个因素相互作用时才会出现例外:病原体、宿主和环境(图2)。随这些因素之一变化,该疾病的严重程度也将在个人和人口层次上变化[22]病原体需要通过破坏或改变外观来克服宿主防守

知识遗传抗生素压力大约116年前首次描述继承模式对黄麦生锈真菌的抗抗药性见于F2子孙中,跨过易抗性线[25]之后H.H.Flor描述松绑阻抗美兰波拉里尼允许他建立基因对元理论Flor研究显示宿主内每种抗基因都存在病原体中的基因阿弗尔en-gene理论并归纳成zig-zag模型解释阻抗行为[26-28]背后的分子活动理论提高我们对植物-病原体交互作用生物化学和遗传基础的知识,这些知识后来允许识别和克隆R抗原基因[28]克隆和识别这些R基因显示几类植物病原体显示,细胞内植物病原体寄居地周围生成的细胞死亡由受体R子特异基因产生,该受体负责识别阿弗尔基因由病原体[22]产生R基因导出者识别病原基因,病原基因导出者或导出者关联分子模式(PAMPS)对植物攻击负责[1,24,25]克服宿主防线 多病原体使用效果器通过破坏阻塞信号路径并方便感染过程

现今,多R基因通过使用传统播种技术、分子标识辅助选择和/或生物技术工具识别、克隆、修改并转移给不同作物种类,如OMICS(基因组学、数组学、原型学、代谢学等),以便与昆虫和疾病作斗争并实现持久抗耐或耐受性因此,智能农业使用传统作物育种技术被认为不适宜提高粮食生产量和以可持续环境帮助不断增长的人口组织培养技术工具,如微插法[30]、博弈胚子产生[3232]、体型胚子产生、细胞悬浮、原型聚变使高值植物快速大规模克隆成为可能,产生纯线[33]、选生非生植物和改良品种[34]分子遗传学新工具如:OMICS[35]、转基因学、基因编辑[36,37]和MAS使得有可能编集不同的生物抗基因短短时间获取耐用耐用线[11]干扰RNA技术可用于激活和静默基因实现所期望的pheno类型[38-40]

并非所有非生物因素都可通过植物育种技术扭转。应用现代种植技术可减少非生物因素,如环境管理实践,将微生物与植物连接起来有可能促进对病原体生物控制[41,42]并应用二乙基乙基六甲酸酯将提高植物对非生物压力的抗药性,如冷[4344]和盐度抗药性[45]并使用proline氨酸盐化工厂显示增强耐盐度[46]和低水度[47]

联合国会员国通过的《可持续发展议程》17项目标中,目标2的目标是实现零饥饿,完成所有营养不良症并加倍作物生产率至2030年[48]要想在几年内实现这一目标,仍可提高作物生产率,植物育种者不仅需要大力处理提高基因型提高食品生产问题,而且还需要为当前和预测生物和非生物因素生产抗基因型,而当前气候变化将带来这些生物非生物因素。

我们能做些什么来实现可持续发展目标2?

植物育种者科学家面临的最大挑战之一是实现新式解决方案,增加当前气候变化[21]中的粮食生产因此,我们认为,要实现目标2,植物育种者首先需要减少气候变化对作物生产的影响,方法包括开发经改良的多基因适应性或抗非生物因素[49],如干旱和高温等,这将在植物生命周期开发期间产生强效(Snowdon等)。2020年)并极大影响植物-病原体交互性

数个R抗非生物压力基因为人知并存入基因库中,如NCBI等,植物育种者可使用这些序列设计素材并用作分子标识查找并识别菌体库或菌体集合中特定物种抗基因[50,51]识别抗电厂可用传统播种法生成纯线条,后代自生7代,或使用体外游戏胚胎加速博弈胚子生成很有趣,因为它允许仅生产一代完全同质古斯植物,减少纯线生成时间和成本纯线可用于交叉生成混合物,通过传统播种、逆向播种、基因编辑制作转基因植物游戏式胚子生成还有趣地诱导突变并生成转基因植物,然后将染色体数翻番,因此我们将避免偏差化,减少时间和费用并评估并常规跨边界获取同源植物使用抗药植物体外选择生物非生物因素,使用体型胚子生成和游戏集成法[34]短时生成精锐线[52],也可以缩短时间

遗传反射也可以通过与精锐植物交叉野生近亲并应用复用选择法增加抗药植物的精锐基因组抗药性基因在野生物细胞图解中发现时, 应在交叉和复用选择中作为母植物使用, 以保存抗药性基因,使用分子标记辅助选择可加速这一过程另一方面,抗基因可以通过遗传工程传递到理想作物上

体外技术整合,如博弈胚子生成[3132]、植物细胞组织文化、体外胚子生成、原型聚变[33]和变异现代生物技术技术,如转基因植物、合成生物、基因编辑[6]、干扰RNAs[38-40]和其他OMICS技术可用于加速改良植物对生物和非生物因素的抗药性并调节植物根深度或变换植物结构(Snowdon等人,2020年)。另一方面,一旦识别易感基因,便有可能使用基因编辑技术建立抗病原体抗药性,同时考虑到QTL不因种族而异,我们可以与R型抗原并用,促进不同环境有效持久抗药性[28],这两种策略都高推荐处理气候变化因此,据Cobb等[53],公共部门应整合新技术Mendelian遗传学和量化遗传学原理,以大力改变作物生产率

提高抗药性的另一方式是使用微生物生物技术增强植物营养和/或生物控制病原体[41,42],应用二乙基乙基六甲酸实现非生物应激抗药性[43-45],并使用prolineto提高盐耐受性[46]和低水状态[47]

作者感谢Elizabeth Ann Vasiy英文评读手稿作者感谢匿名审核者的建议

1. 贝克科ZMULALEMT植物-病原体交互和抗药性遗传学2016年;4:123-134
2. 粮农组织世界粮农统计手册2020罗马2020http://www.fao.org/documents/card/en/c/cb1521en/
3. 蒂尔曼全球粮食需求和可持续的强化农业ProcNat学院.2011年108:20260-20264
4. RayDKMELLERNDWestPCFEJA丰收趋势不足以到2050年使全球作物产量翻番2013年8:e66428PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23840465/
5. 联合国经社部人口司2019年世界人口前景,第二卷:显影剖面图(ST/ESA/SER.A/427)。2019
6. Steinwand Ma公司Ronald PC作物生物技术和食品未来 NatFood2020年1:273-283
7. 粮农组织世界粮农统计手册2019罗马2019http://www.fao.org/3/ca6463en/ca6463en.pdf
8. 工发D公司 Martin W公司 斯温宁J公司 Vos RCoVID-19风险全球食品安全2020年369:500-502PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32732407/
9. 托雷罗M没有食物,就无法从大流行病中退出自然界2020年https://www.nature.com/articles/d41586-020-01181-3?faodatalab=2020-04-23
10. FAO-WFP饥饿热点:粮农组织-粮食署严重粮食无保障预警(3月至7月展望)。2020年https://www.wfp.org/publications/fao-wfp-early-warning-analysis-acute-food-insecurity-hotspots-november-2020
11. DormatyRSLCAIKCULTERJABZGene金字塔建设可持续作物改良消除生物和非生物压力2020年;10:1255
12. RodriguezMCanalesEBorras-HidalgoO分子方面植物非生物压力生物学Acli2005年2:1-10
13. 德斯托梅市Geelen高温改变交叉分布并诱导Arabidopsisthaliana.comunBiol恢复2020年3比15PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32327690/
14. RayDK GerberJS MacDonaldGK西人电脑气候变异解释三分之一全球作物增产变异2015年6: 5989
15. MousaviS公司、RegniL公司、BocchiniM公司、MariottiR公司、CultreraNG公司等生理学、后代学和遗传学规范2019;9:1093
16. 赵大中 张大中 宋大中 朱大中 沙巴拉植物响应机制适应土壤盐度2020年1:100017
17. 法拉吉S公司、FilizE公司、KazemitabarSK公司、VannozziA公司、PalumboF公司等AP2/ERF基因组三叉:全基因组识别分析2020年;111464
18. 长永公司、株中公司、江J公司、张H公司、珠JK公司等植物非生物应激调控2020年;62:563-580PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31872527/
19. 贝纳吉A RoychoudhuryA植物盐度和干旱应激作用期间的启发调节:Histone修改和脱氧核糖核酸去甲化.Plant Gene2017;11:199-204
20. 卢卡斯JA植物病理学和植物病理学第四Ed威利子公司2020年432
21. 金JH希拉里RSEROKAHSY未来作物:建设耐气候植物免疫系统CurrOpin厂生物圈2021;60:101997PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33454653/
22. 阿格里奥斯GN植物病理学第五版编辑圣迭戈:Elsevier2005年
23. 哈蒙德-考萨克KE JonesJDG响应植物寄生物布坎南州B.B.Gruissen州W.Jones市R.L.生物化学和植物分子生物学第二版编辑牛津:威利布莱克威尔第二十一章2015年
24. HulakN,González广场JJ植物-Pathogen交互作用:简单透视复杂故事,Agricul ConspectusSci2015年;80:217-222
25. 卡马戈LEAGenéticaao patógeno-hospedeiro进阿莫林,L,Rezende,J.A.M,Bergamin Filhofitopatlogia手册:principioseconceitos5a编辑Visosa1562018a
26. PascholatiSFPDLORJDFisiologia do Patógenos进阿莫林,L,Rezende,J.A.M,Bergamin Filho手册fitopatlogia5a编辑Visosa34号2018b
27. 卡马戈LEA康托尔genetico进阿莫林LRESENDEJAMBERGAINFLHOAfitopatlogia手册:principioseconceitos5a编辑Visosa15分2018年
28. 考尔BBBHETADMVI80年基因换基因关系及其应用和利用R基因J Gen2021百分百数PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34282731/
29. maisrimler CN,AlanC,EccersallS,MorrisRJ内部设计:植物病原体优化生活条件2021;229:2514-2524
30. 卡拉萨瓦MGPPTOJEBPPPTOJCPETOJCPERERAAVProlifecão de Capim Elifante emdiferentesCentrace de Regulador decrescimentoe2002年;26:1243-1251
31. 卡拉萨瓦MG公司、ChianconeB公司、GianguzziV公司、AbdelgalelAM公司、BottaR公司等Coryrus avellana植物细胞、组织与机体文化2021;124:635-647
32. ChianconeB公司、KarasawaMG公司、GianguzziV公司、AbdelgalelAM公司、BárnyI公司等Citrusclementina Hort通过孤立微博文化实现早期胚胎前Tan,cvs.Montreal Rosso和Nules.植物科学前沿2015年:6 413
33. Gnich-KarasawaMM游戏式胚胎生成、体型胚胎生成、植物细胞培养和原型聚变:生物燃料生产的进展和机会。2017年15分
34. GeraldNDLF,Frei UK,LubestitT加速植物育种2013年;18:667-672PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24080381/
35. BhardwajA,deviP,ChaudharyS,RaniA,JhaUC,KumarS等Omics方法开发综合干旱和耐热粮食作物20211-41PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34223931/
36. 比斯瓦斯市 张德市CRISPR/Cas系统:作物育种的机遇和挑战202140:979-998
37. QaimM新植物育种技术促进粮食安全和可持续农业开发的作用,Appl Econo Perspect2020年;42:129-150
38. 刘SGHSLIAOYMOYLRNAi植物保护技术及其小麦应用20211-10
39. DalakourasA,WassneggerM,DadamiE,GanopoulosI,PapasML等转机免RNA干扰:RNA分子外源应用2020年;182:38-50PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31285292/
40. Sinha SK,PatilBLRNA干预和病毒诱导基因静默应用2017年185
41. Yadav AN,KourD,KaurT,DeviR,GuleriaG等微生物生物技术促进可持续农业:当前研究和未来挑战,微生物生物技术和生物工程新未来开发2020年331-344
42. OkungbowaFISHOO友情细菌:植物隐蔽保护关联生物非生物阵列, NotulaeSciotiaBiologie2019;11:167-174
43. LuJ 关普 GuJ Yang X WangF etal异型DA-6通过调控cytokinin提高番茄夜间低温耐受性202111:599111PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33613581/
44. 张J、李S、开Q、王Z、曹J等异式二乙基六环乙酸提高低温压力,提高玉米树苗中的氮代谢作用。2020年15:E023294PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32353025/
45. 张C、HeP、LiY、LiY、YaoH等异异性二乙基Hexnoate植物生长调节器高度提高CassiaobtifoliaL.J植物生长规则的盐度耐受2016年330344
46. NaliwajskiM公司抗氧化系统与黄瓜植物叶新陈代谢之间的关系202110:609PubMed:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7998282/
47. GhaffariH公司、Tadayona MR公司、BahadoraM公司、RazmjoobJ公司调查在缺水条件下控制糖根菜特质的分量作用,Agri水管理2021243:106448
48. 联合国经社事务部可持续发展目标2015年https://sdgs.un.org/goals
49. Kilian B公司、Dempewolf H公司、Guarino L公司、Werner P公司、Cyne C公司等作物科学特题:《调整农业以适应气候变化:野外漫步》Crop Sci2021;613236
50. DwivediSLSSEBENAEdwardsDSSVLANECOTERTR评估并开发生物群落功能多样性,以加强非生物应激适配和谷类和食品增产2017年8月1461PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28900432/
51. Jones H、GosmanN、HorsnellR、RoseGA、EverestLA等利用遗传学、形态学和环境多样性开发异国语种策略:Aegilopstouschi实例.sor应用Gene2016年;126:1793-1808PubMed:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23558983/
52. PalanisamyD公司、MarapanS公司、PonnuswamyRD公司、Mahalingam PS公司、BoharR公司等加速混合水稻播种,采用双机动技术开发R线.Biologia201974:1259-1269
53. CobbJN、JumaRU、BiswasPS、ArbelaezJD、RutkoskiJ等提高公共部门植物育种程序遗传增益率:从育子方程中学到的教益。TheoApplGene2019;132:627-645