為大豆育種帶來概念性突破，科學家研發大豆基因編輯技術，可同步提高大豆產量與蛋白含量

戴著草編帽子、汗水浸濕劉海、身旁是山腳下的豆田......

如果不是這副眼鏡增加了幾分書生氣，似乎這看起來應該是一位農民大哥的田間記錄照。但其實，這是一名科學家——來自廣州大學的關躍峰教授。

圖 | 關躍峰于 2023 年夏天在福建洋中的試驗田（來源：關躍峰關躍）

此前，他和合作者在這片豆田忙活了整整三年，終于通過基因編輯技術成功優化了大豆的生物固氮能力，并將這項技術形象地比喻為“育種界的 5G”。

通過此，他們找到了既能多長根瘤、少施化肥、又能增加產量的方法，將大豆產量提升 10-20%，蛋白含量增加 1-2 個百分點，借此為大豆育種帶來了概念性突破。

（來源：Nature Plants）

據介紹，基因編輯作物的應用完全遵照我國農業部 2022 年發布的《農業用基因編輯植物安全評價指南（試行）》規定。

相比轉基因，基因編輯作物能夠大大簡化獲取生物安全證書的程序，在時間流程上可以縮短 1-2 年。

目前，課題組正在東北、黃淮等主栽區域的大豆品種中開展基因編輯育種，希望能夠提高國內大豆品種的單產水平、以及提高生物固氮的能力，減少農業化肥的使用。

未來，也可以將該技術轉移到紫花苜蓿、花生等豆科作物中。

不過，需要注意的是，本次研究尚處于試驗階段，種植面積比較小，最大面積僅有 100 多平方米。因此，大面積種植時的增產效果還有待驗證。

提升大豆產量重要性何在？

據介紹，我國每年消耗大豆的總量大約在 1.2 億噸，平均每人每天要消耗半斤大豆，其中超過 80% 依靠進口。

進口大豆并不用于做豆腐豆漿，而是先榨油、剩下的豆粕做飼料。豆粕飼料是優質蛋白來源，對于肉蛋奶畜牧生產來說是必不可少的。

目前，中國人口占據世界人口的 19%，過去 40 年經濟的高速發展，讓老百姓實現肉蛋奶自由，而飼料的消耗也水漲船高。

我們國家的耕地資源有限，耕地僅占世界耕地的 8% 左右，這就需要通過進口糧食來彌補。

大豆之所以成為最主要的進口糧食，重要原因就是它單位面積的產量低，國內種植效益差。

比如，大豆每畝地產量僅為玉米的五分之一，收入約為玉米一半，因此農民更愿意種玉米，導致大豆種植就不足。

如能提高大豆產量和品質的生物育種技術，就能更快推廣應用，幫助提高大豆單產水平和農民種植效益，也有助于提高大豆自給率。

將“諾獎技術”基因編輯成功用于大豆增產

在生物醫藥和生物育種領域，基因編輯是一項革命性技術。該技術于 2012 年問世，2020 年相關學者獲得了諾貝爾獎。

一直以來，該課題組致力于針對大豆開發基因編輯育種技術，以及挖掘創新型基因編輯性狀，旨在實現“高產優質、高附加值、環境友好”的基因編輯大豆育種。

具體到本次研究，他們聚焦于解決這樣一個問題：即如何通過調控大豆結瘤固氮來提高大豆產量。

大豆能通過結瘤來固定空氣氮素，是一種環境友好型作物。

然而，在傳統育種經驗之中，人們發現結瘤過多會減少產量，因此普遍忽視了針對大豆生物固氮開展遺傳改良。

基于此，他們啟動了本次結合室內試驗和室外耕田的基因編輯育種研究。

其研究歷程大致可以分為三個階段：

首先，他們針對大豆開發了高效的基因編輯技術，從而能對目標基因進行編輯，這就像是造了一把鋒利的“手術刀”。

自 2016 年起，課題組開始開始“磨刀”。“目前我們是全球大豆基因編輯領域技術最強的科研團隊之一。”研究人員表示。

有了領先的技術做保障，他們就能根據自己想法做“基因手術”。

其次，則要篩選有價值的基因、并要開展基因編輯，拿到突變的大豆之后，就要對大豆的不同基因“動手術”。

自從該團隊具備大豆基因編輯能力后，就一直在做這項工作，并積累了各種大豆突變體。

利用這些突變體他們開展了基因功能的基礎研究，同時也在觀察大豆的產量表現，從而判斷它們的育種價值。

此前，雖然大家都知道大豆根瘤的生物固氮能減少化肥使用，對環境也比較友好，但是人們過去并不太希望增加大豆根瘤。因為根瘤會消耗碳源，而且根瘤太多會減少大豆產量。

因此，課題組設想：如能適當增加一些根瘤，但又不至于增加太多，可能會有比較好的效果。

經過不同基因組合的篩選，他們發現上述方法果然能增加產量。

而當采用 RIC 基因編輯組合的時候，其根瘤僅有適度的增加，從而能在碳氮平衡的基礎之上實現優質增產。

隨后，他們篩選和評價了不同基因編輯大豆的產量表現。并針對它的生理特性加以分析，比如為何能增產？

“這一步驟就好比針對‘手術預后’開展跟蹤評價一樣。”研究人員表示。

但是，僅僅是這一步驟就耗時了三年之久。期間，他們每年都在實驗田里測試大豆產量表現。

結果也很令人驚喜：RIC 基因編輯不僅可以增加產量，還能提高蛋白質含量。

“其實這在大豆育種中是很困難的事，因為從過去的育種經驗來看，增加產量往往會降低蛋白質，反之亦然。美國甚至有新聞認為‘高產高蛋白大豆是育種的圣杯，但短期不大可能實現’。”研究人員表示。

而該團隊通過優化地下的根瘤數量，成功提高了大豆的種子產量和蛋白質含量。

日前，相關論文以《基因優化大豆結瘤提高產量和蛋白質含量》（Genetically optimizing soybean nodulation improves yield and protein content）為題發在 Nature Plants（IF 18）。

福建農林大學鐘祥斌副教授、王杰副教授是共同一作，廣州大學的關躍峰教授和孔凡江教授、以及中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究員擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Plants）

科學家版本的“草盛豆苗稀”

不過，關躍峰坦言：“我是做分子生物學出身，做大豆育種屬于半路出家。我們在實驗室里雖然得心應手，但下田干活就是小白了。”

剛開始在大田里種植大豆時，田間管理不到位，雜草比大豆還茂密。由于過了除草劑噴施的窗口期，只能人工除草。

于是實驗室全員集體出動，大家一起在田間除草，真實上演“鋤禾日當午，汗滴禾下土”。后來，“種好田”也成為實驗室的重點工作之一。

“這個經歷讓我對農業之難有了更直觀的認識，也開始理解提高農業勞動效率和降低種植成本對于農業的重要性。”關躍峰說。

比如對于生物育種來說，僅僅提高大豆產量還遠遠不夠，還需要圍繞抗除草劑、抗病蟲害等性狀，才能滿足現代種植的需求。

接下來，課題組首先將針對 RIC 基因編輯技術開展更大規模的育種應用，爭取早日實現推廣。

其次他們將挖掘增產效果更好的基因組合，讓技術變得更加完善。

另外，他們將利用多重基因編輯技術，把優化結瘤 RIC 基因與其他高產優質基因編輯性狀聚合在一起，力爭創制產量更高、品質更好的“超級大豆”。

參考資料：

1.Zhong, X., Wang, J., Shi, X.et al. Genetically optimizing soybean nodulation improves yield and protein content. Nat. Plants 10, 736–742 (2024). https://doi.org/10.1038/s41477-024-01696-x

排版：初嘉實