Nature Plants | 可调控的农作物只需一喷即可：对作物进行瞬时重编程以提高农艺性状！

现代植物改良计划已在广泛的种植面积和园艺种植系统中产生了可观的生产力提高。使基因型与环境和管理实践相匹配的能力使日益复杂的种植方案成为可能，以克服生物和非生物胁迫并缩小产量差距。作物种植后，基因型就固定了，许多管理决定也已经制定出来，例如土地整备，播种日期和种植密度。但是环境仍然是“未知数”，随着全球气候变化的发生，预测温度和降雨量变得越来越具有挑战性。因此，在作物周期中，诸如农药、肥料和植物生长调节剂之类的管理工具仍然是改变作物生长和抗逆性的唯一可用选择。但是，在本期国际权威学术期刊Nature Plants中，发表了德国Nomad Bioscience GmbH生物技术公司Anatoli Giritch团队的最新相关研究成果，题为Transient reprogramming of crop plants for agronomic performance的研究论文。德国莱布尼兹植物遗传与作物研究所Nicolaus von Wirén 教授和英国塞恩斯伯里实验室（Science is the lifestyle! 走进英国塞恩斯伯里实验室 (TSL)！）Jonathan D. G. Jones 教授（Nature Plants | 塞恩斯伯里实验室Jonathan Jones团队揭示赋予马铃薯持久抗晚疫病的最佳基因！Jonathan Jones 课题组点评：RNA剪接—新型的病原菌效应蛋白靶标）共同参与了该研究。Torti等人证明了在整个生命周期中，控制作物生长和发育的调节回路可以瞬时改变。同时，澳大利亚昆士兰大学Lee Hickey团队在Nature Plants上为该研究撰写了题为Tunable crops are just a spray away的观点评论。通过传统的植物育种或基因工程，可以对作物生长和行为的遗传控制进行修改，但品种一经播种就固定不变。新的喷雾式病毒转染技术可以在不改变基因组的同时，短暂改变基因表达，以在季节内微调农艺性状。

作物品种可以通过传统的植物育种方法或尖端的基因组工程技术进行遗传改良。两者都涉及在DNA水平上的遗传修饰，而这些修饰在最终的植物品种中是固定不变的。相反，瞬时解构的病毒系统允许在RNA水平上重新编程，而不受基因组修饰的监管规定。在过去的几十年中，该系统在过去几十年中已被逐步工程化，并专注于生物制药应用以产生高水平的重组蛋白。使用农杆菌介导的方法将病毒载体传递到植物中，利用RNA病毒的扩增潜力，并经过工程改造以实现细胞间和系统性移动，从而促进远处器官的瞬时表达。此外，可以设计病毒载体系统来表达或沉默关键基因，从而增强性状操纵的多功能性，同时克服利用双链RNA的其他瞬时技术的局限性（Nature | 植物和真菌通过胞外囊泡交换RNA启发了保护作物的方法！抗击病虫害的新式武器：RNA疫苗；抗击农作物病虫害的新技术）。Torti等人通过操纵多种植物物种的农艺性状（例如株高和开花时间），突出了喷雾式病毒转染技术的潜力。这种灵活的方法意味着在种植时锁定基因型不再是作物行为的主要决定因素。

尽管农民可以在未来几年中从这项技术中受益，但植物研究人员和育种者可能会更快受益。为了支持研究工作，现在可以瞬时表达靶基因以调节相关性状。由于最新的测序技术可用于揭示对性状表达至关重要的信号传导途径和下游元件，因此可以发现更合适的基因靶点用于病毒转染技术。传统植物育种是作物持续遗传改良的有效过程，但它可能是一个耗时的过程。可以将新技术无缝集成到当前实践中，以帮助加速遗传增益。例如，当前的速生育种方案使用受控的光照和温度机制来诱导早花并减少世代时间，但将其应用于需要长期耐寒（春化）的冬季作物时效果较差。为了克服该限制，可以短暂操纵开花途径中的关键基因，以避免进行春化处理并减少生成时间。同样，瞬时速生育种方法可应用于幼苗期较长的园艺作物，例如苹果。因此，在研究和育种应用中，瞬时喷雾技术都具有加速作物改良的巨大潜力。

对于农作物生产，该技术可以提供新的管理工具来事后调整农艺表现。根据当地的天气条件，可以选择性地重编程发育途径中的关键基因。例如，如果预报小麦的早播作物没有降雨，则可以操纵FLOWERINGLOCUS T（FT）的表达以诱导早期开花并避免干旱胁迫（图1）。植物发育基因是喷雾瞬时技术的明显目标。但是，这些“主调节因子”通常会对多种性状产生多效作用。例如，通过限制对促生长激素赤霉素的反应，绿色革命矮化基因Rht-1赋予矮身材以减少倒伏，但也降低了早期活力和杂草竞争力。如果可以在工业规模上应用瞬时喷雾技术，那么它可以规避多效性发育基因，并实现新的性状组合，从而在季节内实现最佳作物生长。

图1：瞬态喷雾病毒技术被用于响应实时环境条件来改善作物性状

城市和垂直农业系统正在迅速扩大，特别是在人口密集、耕地极少的地区。有机会设计出更适合室内生产的紧凑型高产植物品种。喷雾技术可用于瞬时调节通常在户外种植的高价值农作物（例如蓝莓或鳄梨）的生长，以使其适合室内生产。

喷雾方法将需要高度优化，因为病毒骨架的类型和喷雾的化学成分可能需要针对物种进行定制。要在开放的田间环境中应用喷雾，这些优化只会变得更加复杂。目前，该方法只能改变单个基因的表达，但是可以通过使用多个喷雾来克服这一局限性。理想情况下，该技术可以进一步发展为通过一次喷雾施用操纵多个基因控制下的复杂性状（Nature Biotechnology | 最新研究揭示转多基因赋予小麦对病原真菌的广谱抗性！）。

任何新技术最令人关注的问题之一是它可能对环境和消费者产生的影响。自限农杆菌的使用降低了与其他土壤微生物相互作用和下一个种植周期的风险，从而限制了环境风险。或者，包装的病毒颗粒（VP）可以作为一种递送方法，以减少与将DNA物质释放到环境中相关的潜在调节障碍。这一令人振奋的进步为协助植物研究和加快育种提供了一种新工具，并可能改善管理方案，以在气候变异性增加的时期最大限度地提高作物生产力。

图2：使用农杆菌或作为VP的病毒载体转染各种农作物

图3：在几种植物中用病毒载体诱导和抑制开花

图4：通过病毒载体对赤霉素代谢途径的调节，对几种作物中植物身高的调节

图5：使用农杆菌通过喷雾传递的PVX载体对番茄中其他农艺性状进行瞬时重编程

图6：使用修饰的PVX载体增强的病毒传播，扩增和重组蛋白积累

图7：农杆菌和病毒载体在转染植物和土壤（温室和田间）中的命运

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