中科院遺傳發(fā)育所副研究員以第一作者身份發(fā)表Nature Communications

近日，中科院遺傳發(fā)育所許操研究員團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在Nature Communications上發(fā)表綜述論文Revitalizing orphan crops to combat food insecurity，系統(tǒng)分析了孤兒作物(Orphan crops)的農(nóng)業(yè)價(jià)值、發(fā)展瓶頸、研究趨勢(shì)，提出了AI賦能的整合生物育種策略，為挖掘農(nóng)業(yè)的多種功能和發(fā)揮鄉(xiāng)村的多元價(jià)值提供新思路。中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所黃小珍副研究員和博士后蘇得定為該論文的共同第一作者，許操研究員為通訊作者。

全球仍有超過(guò)7億人面臨饑餓困擾；到2080年，全球人口預(yù)計(jì)增至103億，糧食需求持續(xù)攀升。目前，全球農(nóng)業(yè)能量供應(yīng)的80%依賴于少數(shù)幾種主糧作物，同時(shí)農(nóng)作物品種高度同質(zhì)化加劇了全球糧食體系的脆弱性，構(gòu)建多樣化食物體系迫在眉睫。在人類已知的約12,000種可食用植物中，真正進(jìn)入糧食體系的不到250種，其中僅30種就承擔(dān)了全球95%的植物源性熱量供給。這意味著大量“耐旱、耐鹽堿、耐貧瘠、高營(yíng)養(yǎng)”的物種處于被忽視狀態(tài)，豐富的生物多樣性未得到有效利用。這類潛力巨大卻未被充分開發(fā)的物種，被統(tǒng)稱為Orphan Crops (孤兒作物/被忽視作物/小宗作物)，涵蓋小米、黍、莜麥、蕎麥、青稞、苦蕎等耐逆小雜糧，以及多種豆類，塊根類與特色果蔬等。

孤兒作物具有三個(gè)突出優(yōu)勢(shì)：一是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、維生素和關(guān)鍵礦物質(zhì)；二是抗逆能力強(qiáng)，具備耐干旱、耐鹽堿、耐貧瘠和耐高溫等特性；三是系統(tǒng)韌性強(qiáng)，通過(guò)豐富作物種類降低對(duì)主糧的依賴性，提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，Orphan crops不僅是“被忽視的作物”，更是蘊(yùn)藏巨大潛力的未來(lái)糧源。它們有望成為氣候變化時(shí)代的“應(yīng)急糧”、營(yíng)養(yǎng)升級(jí)時(shí)代的“健康糧”、鄉(xiāng)村振興時(shí)代的“特色糧”，以及種業(yè)自立自強(qiáng)時(shí)代的“戰(zhàn)略糧”。然而，受限于系統(tǒng)性科研投入不足、育種體系不完善等因素，很多孤兒作物缺乏高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定的優(yōu)良品種，生產(chǎn)應(yīng)用長(zhǎng)期處于“小而散”的狀態(tài)，與其戰(zhàn)略價(jià)值并不匹配。

研究團(tuán)隊(duì)提出了AI賦能的DSAP (De novo domestication + Speed breeding + AI-empowered phenomics)整合生物育種策略，通過(guò)從頭馴化技術(shù)(De novo domestication)、育種加速器快速育種技術(shù)(Speed breeding)和AI賦能的表型組學(xué)技術(shù)(AI-empowered phenomics)的深度融合，全面加速種質(zhì)創(chuàng)新、種質(zhì)迭代、品種評(píng)價(jià)三個(gè)育種關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為孤兒作物的高效改良提供系統(tǒng)性解決方案。使用從頭馴化技術(shù)快速提高孤兒作物的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀，保持其耐逆和風(fēng)味等特色性狀，使“野生作物”快速躍遷為“可規(guī)?；耘嗟男伦魑铩保铀俜N質(zhì)創(chuàng)新。育種加速器快速育種技術(shù)則通過(guò)人工光源延長(zhǎng)光周期，實(shí)現(xiàn)孤兒作物周年多代繁育，加速遺傳重組與世代更替進(jìn)程，大幅提高育種迭代速度，高效固定優(yōu)良性狀，縮短新品種選育周期。AI賦能的表型組學(xué)通過(guò)融合智能成像、傳感監(jiān)測(cè)和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)孤兒作物表型與環(huán)境參數(shù)的高通量、智能化采集與分析，提升種質(zhì)篩選與品種評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和效率。將三項(xiàng)技術(shù)整合可形成貫穿育種全流程的“孤兒作物快速育種技術(shù)體系”，為孤兒作物從資源改良到新品種培育提供了高效育種路徑。

圖：AI賦能的DSAP育種策略

我國(guó)農(nóng)業(yè)正朝更加注重糧食結(jié)構(gòu)安全與系統(tǒng)安全的方向轉(zhuǎn)型。孤兒作物作為一類耐逆、營(yíng)養(yǎng)豐富且與地方生態(tài)高度適配的特色資源，正逐漸成為優(yōu)化農(nóng)業(yè)品種結(jié)構(gòu)和推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要支點(diǎn)。這些作物往往根植于山區(qū)、干旱區(qū)和少數(shù)民族地區(qū)，在改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)基礎(chǔ)、延伸特色產(chǎn)業(yè)鏈方面具備天然優(yōu)勢(shì)，有助于發(fā)展鄉(xiāng)村特色產(chǎn)業(yè)、擴(kuò)寬農(nóng)民增收渠道；同時(shí)，其所包含的地方品種與地標(biāo)資源，也是維護(hù)生物多樣性、促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。隨著更健康、多元、可持續(xù)的未來(lái)食物體系建設(shè)不斷推進(jìn)，前瞻系統(tǒng)化布局并快速培育孤兒作物，有望為大食物觀提供“儲(chǔ)備糧”，為農(nóng)民增收提供“錢袋子”，為農(nóng)業(yè)多功能發(fā)展和鄉(xiāng)村多元價(jià)值發(fā)揮提供支撐。