垂直農(nóng)業(yè)（又稱植物工廠）是一種整合環(huán)境控制和立體化種植技術(shù)，以工業(yè)化方式生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品，被稱為“未來糧倉”的新型農(nóng)業(yè)模式。但因能耗高、缺乏適種品種, 長期存在“橘生淮北”問題, 難以突破規(guī)模化發(fā)展瓶頸。

2025年5月12日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所許操研究員與陳凡研究員團隊合作在Journal of Integrative Plant Biology發(fā)表題為Harnessing Green Revolution Genes to Optimize Tomato Production Efficiency for Vertical Farming的研究論文。該研究分子聚合赤霉素和成花素兩大分子途徑的綠色革命關(guān)鍵基因，創(chuàng)建了“垂直農(nóng)業(yè)革命”分子模塊，通過基因編輯快速創(chuàng)制了矮桿、緊湊、密植、節(jié)能、省工的早熟高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)番茄，為植物工廠專用型果蔬品種快速精準定制提供新方案。

極端氣候頻發(fā)、耕地資源限制、水資源短缺和快速城市化對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全構(gòu)成嚴重威脅。構(gòu)建更加多元化的食物供給體系，是提升糧食綜合生產(chǎn)能力，保障糧食安全客觀要求和重要舉措。植物工廠不僅為保障糧食安全提供了多元化解決方案，還兼具常態(tài)化供給與應急保障能力。可移動式集裝箱植物工廠可在地震、洪澇等災害發(fā)生后實現(xiàn)快速部署，無需依賴外部供應鏈即可維持戰(zhàn)區(qū)或災區(qū)食物生產(chǎn)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，同時適應潛艇軍艦、偏遠海島及極地高原等特殊場景，顯著提升邊防后勤保障水平。得益于獨立封閉的生產(chǎn)模式，植物工廠還具有為未來航天工程提供可持續(xù)食品保障的潛力。

然而，植物工廠的規(guī)模化應用仍面臨多重制約：一方面，設施與運營投入高、能源消耗大導致生產(chǎn)成本居高不下；另一方面，缺乏植物工廠適用型或?qū)Ｓ眯推贩N。現(xiàn)在主要是將大田、農(nóng)用大棚的作物品種直接種植在植物工廠，因適配性不足引發(fā) “橘生淮北”效應，進一步推高生產(chǎn)成本。以小麥為例，其在植物工廠中的單位面積年產(chǎn)量雖可達傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的220-600倍，但46:1的投入產(chǎn)出比使之缺乏經(jīng)濟可行性。事實上，多數(shù)傳統(tǒng)主糧及果蔬品種的株型結(jié)構(gòu)、生長周期等特性與植物工廠環(huán)境的匹配度低，尤其是番茄、黃瓜、辣椒等株型復雜、收獲周期長的茄果類蔬菜始終難以規(guī)模化生產(chǎn)，導致植物工廠仍局限于速生葉菜生產(chǎn)，陷入“高投入-低效率”的產(chǎn)業(yè)困局，亟需破解“橘生淮北”難題，快速創(chuàng)制垂直農(nóng)業(yè)適用型新品種。

為此，許操團隊以番茄為模式，對赤霉素途徑中主糧綠色革命關(guān)鍵基因GA20ox、成花素途徑中番茄產(chǎn)業(yè)革命基因SP和SP5G進行了分子聚合，成功創(chuàng)建了“垂直農(nóng)業(yè)革命”分子模塊。敲除番茄SlGA20ox1基因可形成具有矮化莖稈和緊湊冠層結(jié)構(gòu)的垂直農(nóng)業(yè)型理想株型。當在配備多層LED自動水培系統(tǒng)的商業(yè)化植物工廠中栽培時，slga20ox1突變體可節(jié)省75%的種植空間，減少28-31%的人工管理時長，并通過高密度種植、空間高效利用和低照明能耗實現(xiàn)38-69%的果實增產(chǎn)。在空間占用和照明能耗降低60%的集約化栽培模組中，適度密植的slga20ox1實現(xiàn)了與商業(yè)化植物工廠中相當?shù)挠行Мa(chǎn)量。將SlGA20ox1與SP、SP5G基因組合突變后，獲得了早花、果實同步成熟且株型緊湊的品種。在商業(yè)化植物工廠中，sp sp5g slga20ox1三基因突變體使空間占用減少85%，收獲周期縮短16%，有效產(chǎn)量提升180%，大幅提高了生產(chǎn)效率。鑒于赤霉素和成花素途徑在不同作物中的保守性，該研究構(gòu)建的“垂直農(nóng)業(yè)革命”基因模塊有望拓展應用于其他茄果類蔬菜植物工廠專用型品種快速定制。

圖：“垂直農(nóng)業(yè)革命”基因模塊大幅提高植物工廠生產(chǎn)效率

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所許操研究員和崖州灣國家實驗室的陳凡研究員為該論文的共同通訊作者，博士研究生于緒琛，碩士研究生李作堯和副研究員楊永芳為論文的共同第一作者。中國科學院植物研究所副研究員李陽，許操研究組的助理研究員黎舒佳，博士研究生陸葉子和張馨瑜對該工作做出了重要貢獻。崖州灣國家實驗室的劉曉冉，中科三安的李晶和北京翠湖農(nóng)業(yè)科技有限公司的李新旭、李樹山為本研究提供了大力支持。該研究得到了中國科學院-荷蘭研究委員會國際合作項目和國家自然科學基金委的資助。

全文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jipb.13927