Trends in Biotechnology | 中国农科院作科所提出整合理想株型和最佳生理型的下一次作物绿色革命实现策略

20世纪中叶，以半矮秆作物为代表的第一次绿色革命极大地 提升 了全球粮食生产能力，解决了 数 十亿人的饥饿问题 ，缓解了粮食短缺危机 。然而，近年来日益加剧的气候变化、资源短缺及 农业生产管理 滞后 等因素， 全球主要粮食产区单产增速已呈现系统性放缓态势，部分 地区作物产量增长趋于停滞，甚至出现下降。 此外 ， 传统绿色革命依赖的高投入农业模式， 特别是氮肥 的过量施用 ，也带来了土壤退化 、 环境污染等 一系列 生态问题。因此，如何在不增加资源投入的前提下，进一步大幅提高作物产量及资源利用效率，已成为实现全球粮食安全和生态安全战略目标的重大挑战。

近日，中国农业科学院作物科学研究所周文彬研究团队 应邀 在 Cell Press 旗下 重要学术 期刊

Trends in Biotechnology

The next Green Revolution: integrating ideal

architectype

and

physiotype

理想株型最早由 C . M. Donald于1968年提出，指 作物 在特定生态 环境 与种植 条件 下实现 最 高 产量 所需 的最优植株形态。 文章 围绕 水稻、小麦、玉米和大豆四大 主粮 作物 ， 系统阐述了 适应现代高密度种植与资源限制条件下 的 理想株型特征 （图1） 。 例如， 水稻 的理想 株型 应具 备适中 株高 （ 90–110 c m ） 、8–10个有效分蘖、 粗壮茎杆、 “直 、 立 、 深绿” 叶片 、 紧凑株 型 、 穗粒数多 且 快速 灌浆 能力 、 高收获指数 （> 0.65 ），同时配合发达的根系以增强抗逆性和养分获取能力 。 小麦 则需 具备 70–80 cm的株高、 强壮的 短粗节间 茎秆、 旗叶 “短 、 宽 、 厚 、 深绿” 、 少量无效分蘖 、紧凑株 型 、大穗多粒与高收获指数（> 0.62 ）， 以及 良好的抗倒伏能力 。 玉米的理想株型 强调“智慧冠层”结构，即 穗上部叶片直立、中部叶片较长且舒展、下部叶片水平 以优化光能利用 ，同时具有 较低株高（2 .2-2.5 m）、 适中 穗位、 粗茎、紧凑 雄穗 等特征，配合“深 、 陡 、 省”的根系结构及发达的 气生根 ，以适应密植和提升抗逆性。 大豆 因其固氮特性与荚果发育特点，其 理想株型 包括 80- 110 cm株高、茎秆粗壮、 短节间、少而短的分枝 、塔 型 叶 片 结构 （下部叶片大、上部叶片小）、 叶柄短直 及适中叶 柄角 、 多荚多粒 ，以 及发达的根系和根瘤 ，以提高密植条件下的光能利用和 固氮效率 。

图1 四大作物的理想株型

尽管优化株型对提升产量具有重要作用， 然而单一 的结构改良 尚不足以支撑未来农业的高产与可持续发展 。 因 此，文章 进一步 提出了 “ 最佳 生理型 （ Optimal physiotype ） ” 这一概念 ， 即通过调控关键 代谢通路及 生理过程，实现光合 作用 效率、资源利用 效率 与 胁迫韧性 等 生理功能的 协同 系统 提升。 通过 改良 冠层结构、 优化光合电子传递、改造卡尔文循环关键酶 等手段， 可 增强光能转化与 碳固定 能力 ，显著提升光合效率 。 在 养分 利用方面， 通过 改良根系结构 、 调控转运蛋白 的 表达 及 相关代谢酶活性， 有助于提升氮磷等营养元素的吸收 、利用 与再分配 。 调控气孔开闭、激素响应与提高土壤及根际微生物的多样性， 是 增强 作物对干旱高温等 逆境 适应能力的有效 策略。 文章 特别 指出，未来的理想作物不仅应具备更高的光合效率、养分利用效率与抗逆能力，还能够在高密度等复杂环境下稳定高产。 此外， 文章 还 强调了 作物“可塑性” 的重要性， 即根据环境变化 动态 调整 分蘖、分枝和根系发育等 生长 能力 。 尤 为重要的是，多个生理过程之间的协同 调控 ， 如 碳氮代谢 、 源库关系 及 逆境信号的整合，是 未来 培育 “ 高产 — 高效 — 稳产 ” 作物的 关键 突破口。

随着组学技术、人工智能 （ A I） 和系统生物学的迅猛发展，作物育种正在步入“智能化时代”。 文章 指出，基于高通量表型组、基因组等多组学 数据 ，结合机器学习和神经网络等计算工具，可 高效实现 基因型与表型的精准关联，加速优良基因位点的挖掘； CRISPR-Cas等新一代基因编辑 工具 则为关键性状的精准调控提供了有力手段。 此外，文中 还 提出 了 “ 生理聚合 （ Physiological p yramiding ） ” 策略， 即通过叠加多个优良基因模块，协同提升多个生理性状，实现对作物 形态 结构与生理功能的全面优化。 同时，文章还强调未来育种不应局限于单株设计，而需延伸至 大田 群体尺度，并集成轮作、间作、精准灌溉等现代农业管理措施，构建高产高效、适应性强的作物育种新体系。

文章 首次 提出 的整合 “ 理想株型 ” 和 “ 最佳 生理型 ” 的协同 优化 理念 ， 为 开启 下一次 作物 绿色革命 奠定了坚实的理论基础 ，并指明了 未来育种 的 方向 。 文章 最后 倡导 启动 “ 作物种质资源 泛 基因组解码计划 （ Crop Pan-genome Decoding Project ） ” 和 “ 作物 表型组计划 （ Crop Phenome Project ） ” ， 建立大数据平台， 支撑A I 驱动的作物设计与精准育种。 同时， 通 过整合 系统生物学、人工智能辅助设计与基因编辑等前沿技术，并结合精准农业管理措施，推动作物育种迈向系统化与智能化，有望在不增加资源投入的前提下，实现作物产量 增加3 0% 和资源利用效率 增加2 0% 的双重提升，为未来全球粮食安全与农业可持续发展奠定坚实基础 （图2） 。

图2 实现下一次绿色革命的关键因素

中国农业科学院作物科学研究所李霞副研究员、研究生解晨和程琳为 该论文的 共同第一作者，周文彬研究员为通讯作者。 中国农业科学院作物科学研究所的钱前研究员和童红宁研究员 、德国马普分子植物生理研究所的Ralph Bock教授 也参与了该项工作 。该 工作 得 到 国家自然科学基金 重点项目 、 “科技创新2030” — 农业 生物育种重大项目 、 中国农业科学 院创新 工程 等项目 的资助。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779925001295