非生物胁迫的育种：Plantarray植物逆境生物研究创新系统

植物非生物胁迫耐受性育种是一个关键的研究开发领域，旨在解决环境胁迫（如干旱、盐度、极端温度和营养缺乏）带来的挑战。随着全球气候变化和气温上升，耕地变得越来越稀缺，对能够在不利环境条件下茁壮成长的作物的需求比以往任何时候都更加迫切。专注于提高非生物胁迫耐受性的育种计划旨在开发具有更高弹性、生产力和可持续性的作物品种，最终为全球粮食安全和农业可持续性做出贡献。

什么是非生物胁迫？

植物中的非生物胁迫可以以不同的形式表现出来，每种形式都有其独特的特征和对植物的影响。以下是非生物胁迫的一些示例：

干旱胁迫：当植物的土壤水分不足，导致缺水情况时，就会发生干旱胁迫。干旱胁迫会损害植物的水分吸收，破坏细胞功能，抑制光合作用，最终导致生长减少、产量损失和作物歉收。

盐胁迫：盐胁迫是由土壤中高水平的盐分引起的，这会破坏植物的离子平衡、渗透电位和养分吸收。植物组织中过量的盐分积累会导致离子毒性、渗透压和细胞损伤，从而限制植物的生长和生产力。

温度胁迫：温度胁迫包括热胁迫和冷胁迫，它们会对植物的生理和新陈代谢产生不利影响。热应激会加速生理过程，损害蛋白质稳定性，并诱导氧化损伤，而冷应激会破坏细胞膜的完整性，损害酶活性，并导致细胞脱水。

营养压力：营养压力是由于氮、磷、钾和微量营养素等必需营养素的缺乏或不平衡引起的。营养缺乏会损害植物的生长、发育和新陈代谢，导致萎黄症、生长迟缓和产量潜力降低等症状。

非生物胁迫耐受性的育种目标是什么？

专注于非生物胁迫耐受性的育种计划旨在实现几个关键目标：

提高抗逆性：开发对特定非生物胁迫具有更强耐受性的作物品种，使其能够在不利的环境条件下保持生长、产量和生产力。

产量稳定性： 培育在不同环境中产量稳定的作物，包括那些容易受到非生物胁迫的环境。具有广泛适应性和适应力的品种可以帮助农民减轻与不可预测的天气模式和气候变化相关的风险。

资源利用效率：提高作物生产系统中资源使用的效率，包括水、养分和能源。非生物耐逆作物可以更有效地利用资源，减少投入和环境影响，同时最大限度地提高产量。

可持续农业：通过减少对化学投入的依赖、保护自然资源和最大限度地减少与传统耕作方法相关的环境退化，促进可持续农业实践。

非生物胁迫耐受性的育种方法有哪些？

非生物抗逆性的育种涉及传统和现代育种方法的结合，以下是一些关键策略，包括：
常规育种：传统的育种方法包括杂交和选择具有理想性状的植物，然后进行连续的世代育种以提高抗逆性。这种方法依赖于作物物种内的自然遗传变异，可能很耗时，但已经成功地开发了耐逆品种。

标记辅助选择：MAS 涉及使用与非生物胁迫耐受性相关的基因或 QTL（数量性状位点）相关的分子标记。通过根据特定的遗传标记选择植物，育种者可以加快育种过程，并更有效地将理想的性状导入精英种质中。

基因组编辑：CRISPR/Cas9 等基因组编辑技术能够精确修饰与非生物胁迫耐受性相关的靶基因。通过引入有益突变或改变基因表达，研究人员可以提高农作物的抗逆性，同时最大限度地减少对基因组的意外变化。

基因组选择：基因组选择利用全基因组分子标记和统计模型来预测植物对复杂性状（如非生物胁迫耐受性）的育种价值。这种方法允许育种者根据其基因组图谱选择优良个体，从而加速遗传。

非生物胁迫的目标性状是什么？  

在专注于非生物胁迫耐受性的育种计划中，几个关键性状是需要改进的：
水分利用效率（WUE）：提高植物有效利用水分的能力对于应对干旱胁迫至关重要。增加 WUE 的育种包括优化气孔导度、改善根结构和增强渗透调节机制。

耐盐性：培育能够耐受土壤中高盐分的作物对于在盐碱环境中种植至关重要。耐盐育种包括选择离子稳态、离子排斥和渗透调节等性状，以在盐水条件下维持细胞完整性和功能。

耐温性：提高植物承受极端温度（包括冷胁迫和热胁迫）的能力，对于确保作物在多变气候下的生产力至关重要。耐温性育种涉及选择热休克蛋白、抗氧化剂和膜稳定性等性状，以减轻热胁迫的影响。

养分利用效率（NUE）：提高植物的养分吸收和利用效率可以提高养分有限条件下的生产力和复原力。NUE 的育种涉及选择根结构、营养转运蛋白和营养储存机制等性状，以优化营养物质的获取和利用。

非生物胁迫育种面临哪些挑战？

虽然在非生物胁迫耐受性的育种方面取得了重大进展，但仍然存在一些挑战：
性状的复杂性：非生物胁迫耐受性是由多个基因控制并受环境因素影响的复杂性状。了解抗逆性的遗传基础和揭示潜在的分子机制仍然是育种工作中的关键挑战。

性状整合：在不影响其他农艺性状的情况下，将多种耐逆性状整合到精英种质中是具有挑战性的。育种者必须在抗逆性和其他理想性状（如产量潜力、抗病性和质量属性）之间取得平衡。

环境可变性：非生物胁迫在不同环境中变化很大，因此很难开发普遍适应的品种。育种计划必须考虑不同的农业生态条件，并优先考虑赋予广泛适应性和抗压能力的性状。

新出现的胁迫：随着气候变化和全球环境的变化，新的非生物胁迫可能会出现，给作物生产带来额外的挑战。育种计划必须通过结合适应性特征和部署创新的育种策略来预测和应对这些新出现的胁迫。 

案例研究和成功案例：

世界各地的许多育种计划已经成功开发出具有增强非生物胁迫耐受性的作物品种。例如：
耐旱玉米：撒哈拉以南非洲等易受干旱地区的育种计划已经开发出具有改进耐旱性状的玉米品种，包括深根系、高效用水和增强的保持绿色特性。

耐盐水稻：沿海地区和内陆盐渍土壤等盐碱地区水稻育种计划已经开发出具有改进的离子稳态、渗透调节和钠排斥机制的耐盐水稻品种。

耐热小麦：在南亚等热应激地区，小麦育种工作侧重于开发具有增强耐热性状（包括热休克蛋白、抗氧化剂和膜稳定性）的耐热小麦品种。 

PlantArray 系统如何帮助非生物胁迫的育种？

PlantArray 系统提供了多种方法来帮助植物进行非生物胁迫耐受性的育种工作：
高通量表型分析：PlantArray 允许育种者在受控条件下同时对大量植物进行表型分析。这种高通量能力能够快速筛选遗传物质中与非生物胁迫耐受性相关的性状。育种者可以评估多种基因型的广泛参数，从而加快确定有前途的候选者，以便进一步进行育种工作。
实时监测：该系统提供对生理参数的持续、实时监测，例如水分吸收、蒸腾速率和光合作用活性。这使育种者能够实时观察植物如何对非生物胁迫源做出反应，深入了解胁迫耐受机制并确定与复原力相关的关键特征。
精确测量：PlantArray 采用先进的传感器和精密称重技术，确保准确测量植物生长和生理反应。育种者可以量化植物在胁迫条件下性能的细微差异，从而有助于选择具有卓越抗逆性状的基因型。
数据分析工具：该系统的软件提供了用于自动数据分析的工具，简化了从复杂数据集中提取有意义见解的过程。育种者可以有效地分析表型数据，识别性状之间的相关性，并确定具有所需抗逆属性的育种品系的优先级。

PlantArray 能否与其他表型方法相结合进行非生物胁迫耐受性的育种？

是的，PlantArray 系统确实可以与其他植物表型分析方法结合使用，以加强植物非生物胁迫耐受性的育种工作。通过整合多种表型分析技术，育种者可以更全面地了解植物对压力的反应，并确定更广泛的抗逆性状。

遥感技术可以大规模监测不同环境中的胁迫影响。生理测量通过评估气体交换、光合效率和水分状态来补充 PlantArray 数据。分子和基因组工具有助于识别与抗逆性相关的候选基因和遗传标记，促进标记辅助选择和基因组选择策略。基于田间的表型分析可在自然条件下验证 PlantArray 数据。多平台集成结合了各种表型平台的优势，加速了耐逆作物品种的开发，以应对不断变化的气候挑战。通过利用多样化的表型数据集和整合多平台数据，育种者可以确保子孙后代的粮食安全。