水稻 (Oryza sativa L.)、小麥 (Triticum aestivum L.) 和玉米 (Zea mays L.) 等主糧作物不僅保障了全球數(shù)十億人的糧食和營養(yǎng)需求，而且還推動了許多國家的經(jīng)濟發(fā)展。為滿足持續(xù)增長的糧食消費需求，這些主糧作物的產(chǎn)量不斷增加。近年來，育種工作者越來越重視作物品質(zhì)改良，致力于培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的“超級作物”品種，以提高其商業(yè)價值。當(dāng)前，作物品質(zhì)研究主要集中在解析品質(zhì)相關(guān)性狀形成的機制和提升綜合品質(zhì)。然而，針對影響淀粉、蛋白質(zhì)及其他品質(zhì)性狀的因素，仍存在許多亟待解決的科學(xué)問題。

近日，揚州大學(xué)劉巧泉教授團隊、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)姚穎垠教授團隊和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究員團隊合作Journal of Genetics and Genomics在線發(fā)表題為“

Enhancing quality traits in staple crops: current advances and future perspectives

該綜述重點聚焦胚乳灌漿起始調(diào)控、淀粉顆粒合成、蛋白質(zhì)體形成以及碳氮代謝互作等關(guān)鍵領(lǐng)域，系統(tǒng)總結(jié)了作物品質(zhì)提升研究最新進展。同時，提出了淀粉-蛋白質(zhì)空間分布、表觀遺傳調(diào)控及環(huán)境因素對品質(zhì)性狀影響等十大未解科學(xué)問題(圖1)。Q1：胚乳灌漿起始的分子機制。Q2：淀粉粒合成是如何起始的？Q3：淀粉粒形態(tài)建成的調(diào)控機制。Q4：蛋白體是如何形成的？Q5：淀粉生物合成相關(guān)蛋白和種子儲藏蛋白的翻譯后修飾是如何調(diào)控作物品質(zhì)的？Q6：淀粉和蛋白質(zhì)空間分布差異的調(diào)控機制。Q7：碳氮平衡的協(xié)同分子機制如何影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)？Q8：次生代謝物在作物品質(zhì)形成中的作用。Q9：如何利用表觀遺傳學(xué)方法改善作物品質(zhì)相關(guān)性狀？Q10：作物品質(zhì)性狀如何響應(yīng)環(huán)境因素的影響？

圖1. 影響淀粉、蛋白質(zhì)和其他品質(zhì)性狀的十大關(guān)鍵問題

針對這十大關(guān)鍵問題，該綜述提出綜合利用遺傳學(xué)、基因組學(xué)、生物育種、基因組編輯、人工智能及多組學(xué)等研究策略，為推動相關(guān)問題的解決和加速作物品質(zhì)改良領(lǐng)域的研究提供參考(圖2)。解決這些關(guān)鍵問題有望培育出兼具高產(chǎn)特性與優(yōu)質(zhì)性狀的“超級作物”新品種——這些品種將具有更高的營養(yǎng)價值、更優(yōu)的加工特性以及更符合消費者需求的品質(zhì)特征，對推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、實現(xiàn)糧食安全與環(huán)境保護的雙重目標具有重要意義。

圖2.提高和穩(wěn)定作物籽粒品質(zhì)的潛在途徑

作者簡介

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院楊長峰博士和揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院黃李春副教授為該綜述共同第一作者。揚州大學(xué)劉巧泉教授、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)姚穎垠教授和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究員為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)孫其信院士、揚州大學(xué)張昌泉教授、中國科學(xué)院植物研究所王柏臣研究員、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)仲迎鑫副教授、中國科學(xué)院植物研究所馬曉輝博士參與該綜述撰寫與修改工作。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金、拼多多-中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究基金和江蘇省自然科學(xué)基金等項目資助。