如何利用植物表型技術(shù)培育更加高效高產(chǎn)的作物
近期，紐約時報(bào)報(bào)道了Robert Furbank博士（澳大利亞國立大學(xué)、澳大利亞研究委員會轉(zhuǎn)化光合作用卓越中心主任）的研究工作。
Furbank博士和他領(lǐng)導(dǎo)的科研中心與全球相關(guān)科學(xué)家合作，瞄準(zhǔn)了一個大膽的糧食危機(jī)解決方案：讓作物更加高效地傳導(dǎo)光合作用。
作物生理學(xué)家估計(jì)，如果植物光合效率可以提高5%，那么大部分作物的產(chǎn)量可以提高20%。
這對養(yǎng)活全球不斷增長的人口會是一個非常大的幫助。據(jù)預(yù)測，到2050年，全球人口會從現(xiàn)在的75億增長到100億。而科學(xué)家估計(jì)作物產(chǎn)量要增長70%以上才能滿足需求。
回顧歷史，得益于一系列統(tǒng)稱為綠色革命的農(nóng)業(yè)革新，在1960-2010年間，全球糧食產(chǎn)量增長了175%。通過培育高產(chǎn)作物、改善氮肥的使用以及改良灌溉方式，農(nóng)業(yè)部門避免了世界人口快速增長可能造成的全球性饑荒。
然而，近些年來，綠色革命的技術(shù)逐漸達(dá)到了極限，全球作物產(chǎn)量已經(jīng)止步不前。據(jù)2014年聯(lián)合國糧農(nóng)組織報(bào)告，三大主要谷物，水稻、小麥和玉米的年產(chǎn)量增長率從1960-1990年的2.19-2.95%下降到1990-2010年的0.79-1.74%。同時，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的負(fù)面影響開始顯現(xiàn)，比如溫室氣體排放、氮肥污染、土壤退化等。
除了保障耕種面積和維護(hù)生態(tài)環(huán)境，最有效的措施就是開發(fā)利用優(yōu)良的作物品種和先進(jìn)的栽培技術(shù)。因此，在未來的數(shù)十年間，科學(xué)家需要培育作物新品種。這些新品種要應(yīng)對更加嚴(yán)酷而變化莫測的環(huán)境條件，更少的資源——包括土地、水和肥料，同時還能獲得高產(chǎn)。
為了達(dá)到這一目的，農(nóng)業(yè)科學(xué)家們的科研工作也迫切需要更先進(jìn)的技術(shù)和儀器來支持。與之相關(guān)的工作都需要對兩方面的技術(shù)支持：
同時，F(xiàn)urbank博士所屬的澳大利亞國立大學(xué)與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織已經(jīng)與PSI公司合作建設(shè)了多套PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)。
PlantScreen植物表型成像分析系統(tǒng)集植物自動傳送技術(shù)、智能LED光適應(yīng)與培養(yǎng)技術(shù)、自動澆灌稱重技術(shù)、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)、光譜成像技術(shù)（包括RGB、VISIR高光譜成像、SWIR高光譜成像、LWIR紅外熱成像等）等，以及根窗技術(shù)全自動根系表型觀測，高通量、無損傷、全自動、全方位實(shí)驗(yàn)觀測分析植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能形狀表型，成為國際著名表型組學(xué)與遺傳組學(xué)研究及遺傳育種機(jī)構(gòu)的重要平臺，如德國IPK（Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research）、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）、荷蘭生態(tài)表型研究中心（NPEC，Wageningen University & Research，Netherlands Plant Eco-phenotyping Centre）、德國BIOP（Institute of Biochemical Plant Pathology）、澳大利亞CSIRO（Commonwealth Industrial Research Organisation）、國際水稻研究所、杜邦先鋒國際良種公司、孟山都公司、美國合成基因公司等等。
Furbank博士已經(jīng)在澳大利亞和世界各地開展了一系列不同的實(shí)驗(yàn)。他說：“我認(rèn)為將會有不止一種技術(shù)解決方案。我們需要在許多戰(zhàn)線上采取一致行動。”
紐約時報(bào)原文鏈接：To Feed a Hot Planet, They’re Making More Efficient Plants
澳大利亞國立大學(xué)植物生長艙（Growth Capsule）中培育的小麥品種
由于全球氣候變化的影響，諸如溫度升高、干旱加劇、風(fēng)和降雨模式改變都在威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而使全世界都在面臨逐漸逼近的糧食短缺危機(jī)。Furbank博士和他領(lǐng)導(dǎo)的科研中心與全球相關(guān)科學(xué)家合作，瞄準(zhǔn)了一個大膽的糧食危機(jī)解決方案：讓作物更加高效地傳導(dǎo)光合作用。
作物生理學(xué)家估計(jì)，如果植物光合效率可以提高5%，那么大部分作物的產(chǎn)量可以提高20%。
這對養(yǎng)活全球不斷增長的人口會是一個非常大的幫助。據(jù)預(yù)測，到2050年，全球人口會從現(xiàn)在的75億增長到100億。而科學(xué)家估計(jì)作物產(chǎn)量要增長70%以上才能滿足需求。
回顧歷史，得益于一系列統(tǒng)稱為綠色革命的農(nóng)業(yè)革新，在1960-2010年間，全球糧食產(chǎn)量增長了175%。通過培育高產(chǎn)作物、改善氮肥的使用以及改良灌溉方式，農(nóng)業(yè)部門避免了世界人口快速增長可能造成的全球性饑荒。
然而，近些年來，綠色革命的技術(shù)逐漸達(dá)到了極限，全球作物產(chǎn)量已經(jīng)止步不前。據(jù)2014年聯(lián)合國糧農(nóng)組織報(bào)告，三大主要谷物，水稻、小麥和玉米的年產(chǎn)量增長率從1960-1990年的2.19-2.95%下降到1990-2010年的0.79-1.74%。同時，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的負(fù)面影響開始顯現(xiàn)，比如溫室氣體排放、氮肥污染、土壤退化等。
除了保障耕種面積和維護(hù)生態(tài)環(huán)境，最有效的措施就是開發(fā)利用優(yōu)良的作物品種和先進(jìn)的栽培技術(shù)。因此，在未來的數(shù)十年間，科學(xué)家需要培育作物新品種。這些新品種要應(yīng)對更加嚴(yán)酷而變化莫測的環(huán)境條件，更少的資源——包括土地、水和肥料，同時還能獲得高產(chǎn)。
為了達(dá)到這一目的，農(nóng)業(yè)科學(xué)家們的科研工作也迫切需要更先進(jìn)的技術(shù)和儀器來支持。與之相關(guān)的工作都需要對兩方面的技術(shù)支持：
- 對復(fù)雜的植物生長環(huán)境的監(jiān)測與控制，用以模擬各種不同的環(huán)境條件來研究植物的反應(yīng)；
- 大量植株的各種特征和性狀即表型（phenotyping）的鑒別與分析。
Furbank博士（左）在植物生長艙中檢查培養(yǎng)的小麥
Growth Capsule植物生長艙為集裝箱式設(shè)計(jì)，方便移動運(yùn)輸，無需專門的溫室或?qū)嶒?yàn)室，可露天使用，多個單元可以拼疊在一起。每個單元可獨(dú)立調(diào)節(jié)環(huán)境條件，溫度、濕度、光照及CO2調(diào)控并在線監(jiān)測顯示在觸摸屏上，可以在任何地點(diǎn)、任何環(huán)境條件下進(jìn)行生態(tài)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)和植物培養(yǎng)。
澳大利亞國立大學(xué)的相關(guān)研究成果（Salesse-Smith, 2018, Nature Plants）
紐約時報(bào)原文鏈接：To Feed a Hot Planet, They’re Making More Efficient Plants
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