Advanced Science丨中國熱科院甘蔗中心闕友雄團隊闡述植物基因工程從“單基因評價”到“系統性設計”的DBTL時代

植物基因工程，憑借其跨物種、高精度、短周期、多基因協同等優勢，已經成為驅動未來作物改良的核心引擎。面對全球人口增長、氣候波動加劇與耕地資源持續緊張的三重壓力，傳統育種在周期和精度方面的瓶頸日益凸顯。

近日，中國熱帶農業科學院甘蔗研究中心主任闕友雄研究員團隊在Advanced Science在線發表題為Plantgeneticengineering: Technologicalpathways,applicationscenarios, andfuturedirections的長篇綜述論文。該文系統梳理了植物基因工程從技術平臺到應用場景的完整鏈條，首次從“設計-構建-測試-學習”（design-building-test-learn, DBTL）的工程化視角，提出了株型優化、抗逆提升、產量增強與品質改良的系統性策略，并前瞻性地探討了資源創新利用、多基因編輯、表觀遺傳調控與田間有效性評估等未來方向。

1983年，首例轉基因煙草誕生，這是植物基因工程發展歷程中的一個里程碑。此后四十余年，從農桿菌轉化與基因槍的隨機整合，到CRISPR/Cas9引導的定點編輯，再到如今堿基編輯、引導編輯、染色體工程等多工具協同，植物基因工程正從“單基因功能驗證”向“多性狀系統設計”的新階段。與傳統育種依賴種內變異、周期長、預測性差相比，基因工程突破了物種屏障，實現了跨界的基因整合與精準的性狀疊加。

1、系統設計的“藍圖”：從株型到根系的四維調控

植物理想株型的構建，涉及株高、分蘗/分枝、葉型、根系與莖稈強度的協同優化（圖1）。文中指出，基因調控（如TRM、PH13、UBP15）與激素通路（GA、BR、生長素）共同構成了株高調控的雙層網絡。在水稻中，sd1基因通過削弱GA合成實現半矮化，而在甘蔗中過表達ScGA20ox則可顯著促進株高與光合效率。分蘗調控方面，MOC1與RCN127形成“激活-去抑制”模塊，而微生物群系（如Roseateles）也可通過SL信號通路影響分蘗。根系工程則聚焦“深、密、省”的構型理想型，OsPTR9、OsRBOHE、OsAUX系列等基因在氮高效吸收、根毛發育與養分脅迫響應中發揮關鍵作用。

圖1.作物株型調控

2、抗逆工程：從“單基因”到“多環境”驗證

植物病害、蟲害與干旱、鹽堿、極端溫度等非生物脅迫共同挑戰，促使抗逆育種從性狀的“溫室驗證”走向耐久性的“田間評估”（圖2）。單一抗性基因在田間往往因病原體快速進化、環境因子波動及代謝代價而失效。該問題的解決之道在于基因堆疊與多基因編輯：例如，在水稻中聚合Piz-t與Pik-h可顯著提升稻瘟病抗性。在病毒抗性方面，RNAi與hpRNA策略已實現對多種水稻病毒（RBSDV、SRBSDV、RSV、RRSV）的近免疫抗性。而在真菌與細菌抗性中，PTI-ETI雙通路、MAPK級聯與WRKY轉錄因子，構成了核心調控骨架。值得注意的是，ROS不僅是有害分子，在適度水平下，還可作為逆行信號激活系統抗性，這一“損傷-信號-適應”的轉化機制，為抗逆育種提供了全新的理論支點。

圖2 作物抗性改良

3、產量提升：“源-流-庫”的系統工程

產量是源（光合產物）—流（運輸效率）—庫（籽粒容量）三者協同的結果（圖3）。在“庫”端，OsCKX2通過降解細胞分裂素調控穗粒數，GY3則增強細胞分裂素合成，二者均可顯著提升穗粒數。在“庫容”方面，OsGW2與OsGS3負調控籽粒大小，而gs3-1突變體可增加粒長15-20%。在“源”端，VDE過表達加速NPQ誘導與恢復，使水稻CO2同化量提升20-23%；GCGT光呼吸旁路則使光合速率提高13-27%，產量提升11-26%。這些數據表明，光呼吸改造與電子傳遞鏈優化正成為突破產量瓶頸的新前沿。

圖3 作物產量提升的“源-庫-流”模型

4、品質改良：“營養”-“感官”-“加工”

營養、感官與加工，是個品種改良的三重升級（圖4）。在營養品質方面，“黃金大米”通過psy1-crtI-lcy多基因途徑在胚乳中重建β-胡蘿卜素合成通路，成為經典案例。賴氨酸與鐵鋅的生物強化，則依賴于DHDPS/AK反饋抑制解除與NAS-YSL運輸鏈的協同調控。感官品質上，SPS與TST調控糖分積累，AAT與TPS塑造果香與花香，而PG/EXP/PME的抑制則可延遲軟化、延長貨架期。加工品質方面，GBSSI與Wx的編輯可精準調控直鏈淀粉含量，FAD2的敲除則產生高油酸（>80%）且氧化性能穩定的油脂。

圖4 作物品質改良

5、未來展望：從“描述”走向“設計”

該綜述為植物基因工程從“單基因研究”轉向“系統化、智能化、可預測的作物設計”提供了理論框架，并提出了未來的四個關鍵方向：（1）野生資源的創新利用：借助泛基因組、ATAC-seq與AI輔助的基因發現，將野生近緣種中的抗逆、優質等位基因精準回遷至現代品種；（2）多基因共轉化與同步編輯：通過“2A肽”、BIBAC載體與PrimeRoot系統，實現10 kb以上大片段精確插入及13個位點的同步編輯；（3）表觀調控的可控性與穩定性：dCas9-DNMT3A/TET1等表觀編輯工具正在優化，有望實現可遺傳的“應激記憶”；（4）風險-收益矩陣與田間耐久性評估：從人類健康、環境生態、基因組完整性與農藝穩定性四個維度，建立貫穿DBTL循環的驗證體系。未來，隨著遞送/再生瓶頸的突破、定量調控元件的豐富以及染色體工程的發展，植物基因工程有望真正實現從“描述”到“設計”的跨越，為全球糧食安全與可持續農業提供堅實的技術底座。

中國熱帶農業科學院甘蔗研究中心/熱帶生物技術研究所王裴林副研究員為該論文的第一作者，中國熱帶農業科學院甘蔗研究中心主任/中國熱帶作物學會遺傳育種專業委員會主任/海南省甘蔗學會理事長闕友雄研究員為通訊作者。甘蔗中心王文治、王東姣和吳期濱參與論文撰寫。研究獲國家熱帶農業科學中心科技創新團隊、熱帶作物生物育種全國重點實驗室、國家糖料產業技術體系等聯合資助。

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https://doi.org/10.1002/advs.202521040

“甘蔗育種技術與方法”團隊介紹

學術帶頭人闕友雄，男，1980年2月，理學博士，二級研究員，南京農大/福建農大/海南大學等博士生導師，國家神農青年英才、省級B類高層次人才和省杰青獲得者，熱帶作物生物育種全國重點實驗室甘蔗創新部牽頭人/PI。以育種“方法研究”和“技術開發”為切入點，長期從事甘蔗生物育種研究并取得重要進展，為推進新一代甘蔗品種選育奠定了重要的理論基礎和實踐經驗，工作被西班牙Miguel A. Botellaji教授亮點評述，并受邀在國際權威期刊撰寫前言綜述與亮點評論。研究獲國家糖料產業技術體系“甘蔗育種技術與方法”崗位科學家、國家自然科學基金（5項）、農業部“948”計劃、國家重點研發、中央引導科技專項、省杰青等持續資助；以第一作者或通訊作者在Adv Sci、PBJ、MP、Cell Res、New Phytol、Plant J、PCE、Field Crops Res、Crop J、Trends Plant Sci、Trends Microbiol和《作物學報》等發表論文120余篇，其中SCI收錄100余篇，封面導讀1篇、封面文章3篇，高被引11篇，被引6600余次，H-index為47；入選全球前2%頂尖科學家榜單；主編著作2部，參編5部，獲授權專利40余件，制定標準7項，獲省級科技進一步等獎（1項）和中國熱作學會成果獎（2項）；受聘Trop Plants執行主編；BMC Plant Biol副主編；《作物學報》和BMC Genom等編委；國家科技獎勵等評審專家；培養省級以上青年人才5人，博碩士研究生60余人。團隊由吳期濱、王裴林、王東姣、張媛媛、趙婉瑩、曾真等青年科學家，林佩霞、林維蔚和李雪等科研助理，以及30余名博碩士研究生組成。聚焦育種方法創新和技術開發，系統深入開展性狀精準評價、關鍵基因挖掘、高效定向改良、優異種質創制和突破性新品種培育等工作，已成長為國內外“甘蔗育種技術與方法”領域最活躍的優勢團隊。中國熱帶農業科學院甘蔗研究中心誠邀廣大有志于甜蜜甘蔗事業同仁的合作與加盟！