20世紀中葉，以半矮稈作物為代表的第一次綠色革命極大地 提升 了全球糧食生產能力，解決了 數 十億人的饑餓問題 ，緩解了糧食短缺危機 。然而，近年來日益加劇的氣候變化、資源短缺及 農業生產管理 滯后 等因素， 全球主要糧食產區單產增速已呈現系統性放緩態勢，部分 地區作物產量增長趨于停滯，甚至出現下降。 此外 ， 傳統綠色革命依賴的高投入農業模式， 特別是氮肥 的過量施用 ，也帶來了土壤退化 、 環境污染等 一系列 生態問題。因此，如何在不增加資源投入的前提下，進一步大幅提高作物產量及資源利用效率，已成為實現全球糧食安全和生態安全戰略目標的重大挑戰。

近日，中國農業科學院作物科學研究所周文彬研究團隊 應邀 在 Cell Press 旗下 重要學術 期刊

Trends in Biotechnology

The next Green Revolution: integrating ideal

architectype

and

physiotype

理想株型最早由 C . M. Donald于1968年提出，指 作物 在特定生態 環境 與種植 條件 下實現 最 高 產量 所需 的最優植株形態。 文章 圍繞 水稻、小麥、玉米和大豆四大 主糧 作物 ， 系統闡述了 適應現代高密度種植與資源限制條件下 的 理想株型特征 （圖1） 。 例如， 水稻 的理想 株型 應具 備適中 株高 （ 90–110 c m ） 、8–10個有效分蘗、 粗壯莖桿、 “直 、 立 、 深綠” 葉片 、 緊湊株 型 、 穗粒數多 且 快速 灌漿 能力 、 高收獲指數 （> 0.65 ），同時配合發達的根系以增強抗逆性和養分獲取能力 。 小麥 則需 具備 70–80 cm的株高、 強壯的 短粗節間 莖稈、 旗葉 “短 、 寬 、 厚 、 深綠” 、 少量無效分蘗 、緊湊株 型 、大穗多粒與高收獲指數（> 0.62 ）， 以及 良好的抗倒伏能力 。 玉米的理想株型 強調“智慧冠層”結構，即 穗上部葉片直立、中部葉片較長且舒展、下部葉片水平 以優化光能利用 ，同時具有 較低株高（2 .2-2.5 m）、 適中 穗位、 粗莖、緊湊 雄穗 等特征，配合“深 、 陡 、 省”的根系結構及發達的 氣生根 ，以適應密植和提升抗逆性。 大豆 因其固氮特性與莢果發育特點，其 理想株型 包括 80- 110 cm株高、莖稈粗壯、 短節間、少而短的分枝 、塔 型 葉 片 結構 （下部葉片大、上部葉片小）、 葉柄短直 及適中葉 柄角 、 多莢多粒 ，以 及發達的根系和根瘤 ，以提高密植條件下的光能利用和 固氮效率 。

圖1 四大作物的理想株型

盡管優化株型對提升產量具有重要作用， 然而單一 的結構改良 尚不足以支撐未來農業的高產與可持續發展 。 因 此，文章 進一步 提出了 “ 最佳 生理型 （ Optimal physiotype ） ” 這一概念 ， 即通過調控關鍵 代謝通路及 生理過程，實現光合 作用 效率、資源利用 效率 與 脅迫韌性 等 生理功能的 協同 系統 提升。 通過 改良 冠層結構、 優化光合電子傳遞、改造卡爾文循環關鍵酶 等手段， 可 增強光能轉化與 碳固定 能力 ，顯著提升光合效率 。 在 養分 利用方面， 通過 改良根系結構 、 調控轉運蛋白 的 表達 及 相關代謝酶活性， 有助于提升氮磷等營養元素的吸收 、利用 與再分配 。 調控氣孔開閉、激素響應與提高土壤及根際微生物的多樣性， 是 增強 作物對干旱高溫等 逆境 適應能力的有效 策略。 文章 特別 指出，未來的理想作物不僅應具備更高的光合效率、養分利用效率與抗逆能力，還能夠在高密度等復雜環境下穩定高產。 此外， 文章 還 強調了 作物“可塑性” 的重要性， 即根據環境變化 動態 調整 分蘗、分枝和根系發育等 生長 能力 。 尤 為重要的是，多個生理過程之間的協同 調控 ， 如 碳氮代謝 、 源庫關系 及 逆境信號的整合，是 未來 培育 “ 高產 — 高效 — 穩產 ” 作物的 關鍵 突破口。

隨著組學技術、人工智能 （ A I） 和系統生物學的迅猛發展，作物育種正在步入“智能化時代”。 文章 指出，基于高通量表型組、基因組等多組學 數據 ，結合機器學習和神經網絡等計算工具，可 高效實現 基因型與表型的精準關聯，加速優良基因位點的挖掘； CRISPR-Cas等新一代基因編輯 工具 則為關鍵性狀的精準調控提供了有力手段。 此外，文中 還 提出 了 “ 生理聚合 （ Physiological p yramiding ） ” 策略， 即通過疊加多個優良基因模塊，協同提升多個生理性狀，實現對作物 形態 結構與生理功能的全面優化。 同時，文章還強調未來育種不應局限于單株設計，而需延伸至 大田 群體尺度，并集成輪作、間作、精準灌溉等現代農業管理措施，構建高產高效、適應性強的作物育種新體系。

文章 首次 提出 的整合 “ 理想株型 ” 和 “ 最佳 生理型 ” 的協同 優化 理念 ， 為 開啟 下一次 作物 綠色革命 奠定了堅實的理論基礎 ，并指明了 未來育種 的 方向 。 文章 最后 倡導 啟動 “ 作物種質資源 泛 基因組解碼計劃 （ Crop Pan-genome Decoding Project ） ” 和 “ 作物 表型組計劃 （ Crop Phenome Project ） ” ， 建立大數據平臺， 支撐A I 驅動的作物設計與精準育種。 同時， 通 過整合 系統生物學、人工智能輔助設計與基因編輯等前沿技術，并結合精準農業管理措施，推動作物育種邁向系統化與智能化，有望在不增加資源投入的前提下，實現作物產量 增加3 0% 和資源利用效率 增加2 0% 的雙重提升，為未來全球糧食安全與農業可持續發展奠定堅實基礎 （圖2） 。

圖2 實現下一次綠色革命的關鍵因素

中國農業科學院作物科學研究所李霞副研究員、研究生解晨和程琳為 該論文的 共同第一作者，周文彬研究員為通訊作者。 中國農業科學院作物科學研究所的錢前研究員和童紅寧研究員 、德國馬普分子植物生理研究所的Ralph Bock教授 也參與了該項工作 。該 工作 得 到 國家自然科學基金 重點項目 、 “科技創新2030” — 農業 生物育種重大項目 、 中國農業科學 院創新 工程 等項目 的資助。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779925001295