2024提高作物的抗逆性，缓解逆境条件的影响

缓解逆境条件的影响提高作物的抗逆性 2024年5月禾大 目录 为什么要关注逆境影响？3 植物如何应对逆境影响？5 农业如何应对逆境影响？6 催芽7 生物刺激素8 育种9 良好的耕作办法10 挑战与策略11 禾大和盈可泰如何帮助您15 鸣谢： ■ProfessorEdvaldoAparecidoAmaraldaSilva,ProfessorofSeedProductionandTechnology, SãoPauloStateUniversity(Unesp),BotucatuCampus ■HubertEhouman,Cocoa/Banana/Mango/CashewandVegetablesLead,West&CentralAfrica,UPL ■DrRosaDominguez-Espinosa,GlobalProductTechnologyandEngineeringBiologicalsTechnologyLead,Syngenta ■DrAgnieszkaDoroszuk,ResearchManager,SeedTechnologyatRijkZwaan ■ProfessorBenScheres,ResearchManager,BiotechnologyatRijkZwaan ■CarolinaPereiraCardoso,ResearchScientist,IncotecSouthAmerica ■MarciaWerner,R&DDirector,Incotec ■DrStevenAdams,GlobalResearchandTechnologyManager,Croda 缓解逆境条件的影响，提高作物的抗逆性3 为什么要关注 逆境影响？ 非生物胁迫是指任何可能阻碍植物充分生长的环境条件。2020-2022年，巴西两次创下丰收纪录，但是2023-2024年，厄尔尼诺现象袭来，导致雨季地下水减少(降雨量降低)，加上天气酷热，造成巴西全国范围内缺水、高温或两种压力并存的局面。在这些逆境条件的共同作用下，全国农民的生产率平均下降20%。 环境复杂多变，非生物胁迫一直是极端气候条件下农民面临的问题。 现在，随着气候变化带来越来越不稳定的天气，逆境条件的影响正在 全球范围内加剧 即使在历史上气候温和的地区也不例外。一些估计表明，逆境条件已经导致每年超过1700亿美元(1380亿英镑)的作物损失。 通过调整植物对这些胁迫的反应，我们可以培育出在气候条件恶化的情况下产量更高、更具韧性的作物。有些植保技术的改进是呈渐进式的，有些则是变革式的。而有的只是抵消气候条件变化的影响。逆境问题并不存在一个完美方案就能解决，但与什么都不去做相比，每一次进步的尝试都将有助于提高作物产量，作物规模扩大不仅增加农民的利润，还会免受气候变化的影响，并在不破坏生态系统的同时改善全球粮食供应，扩大生产。 本文将对这一问题展开探讨，分享讨论新的解决方案，同时强调，我们必须克服重大挑战，不断推动缓解逆境影响的工作进程。 (1)https://www.researchgate.net/publication/352331452_Rewilding_crops_for_climate_resilience_economic_analysis_and_de_novo_domestication_strategies 4缓解逆境条件的影响，提高作物的抗逆性 逆境条件 干旱：缺水几乎会影响植物生理和生化的方方面面。 水涝：土壤中水分过多会导致缺氧或无氧(氧缺乏以及真菌疾病，从而影响植物的根系功能和养分吸收。 盐分：土壤中的高盐分会影响植物吸收水分和养分的能力，造成离子和渗透压力。 pH值：土壤pH值过高或过低都会减少关键养分和有益微生物，增加抑制生长的有毒金属含量，并直接破坏植物的根部结构。 温度：极寒(寒冷和冰冻胁迫)和极热会破坏植物组织、蛋白质和膜，进而影响植物生长和发育。 重金属：土壤中的铅、镉、汞和砷等重金属对植物具有毒性。 营养不均衡：必需营养元素过少或过多都会破坏植物的新陈代谢过程和生长。 光照：光照不足会限制植物光合作用，而光照过强则会导致光抑制，损害植物细胞。 风：强风会对植物造成物理伤害，并导致干燥（干枯）。 污染：臭氧、二氧化硫和氮氧化物等空气污染物会进入叶片气孔，破坏植物的内部生理生化过程。 缓解逆境条件的影响，提高作物的抗逆性5 作物如何应对 逆境条件的影响？ 逆境条件通过多种基本方式影响植物生长。它可能对植物造成直接损害，也可能引发植物产生保护性反应，这种复杂的影响并非总是起着积极作用。面对这些多种多样的生物机制，我们以下简要介绍一些典型例子。许多对抗逆境的解决方案的宗旨就是利用、增强、改变或限制机制反应。 1.细胞和分子效应 ■渗透胁迫：逆境条件(如干旱和高盐分)会造成渗透胁迫，从而降低植物的吸水能力，导致细胞失去维持其结构和功能所必需的渗透压。 ■氧化应激：逆境条件通常会促进活性氧(ROS)的产 生。少量的活性氧是有益的，但过量活性氧会破坏蛋白质、脂质和DNA。 ■改变基因表达：植物通过改变数百个基因的表达水平来应对逆境条件，并逐渐适应逆境。这个适应过程通常有利于作物提高抗逆性，但作物也会“考虑”复杂的利弊权衡。研究这些基本机制对于作物抗逆性研究和育种计划来说都很有价值。 2.生理反应 ■用水效率：在干旱条件下，作物会关闭气孔以防止水分流失，这样做虽然可节约用水，但也会减少二氧化碳的摄入，限制植物的光合作用。 ■开花和结种：逆境条件下，作物会将资源用于维持存活，而不是繁殖，因此会影响作物开花，降低种子的结实率和质量。 ■生根：作物可根据水分供应情况调整分配给根部的资 源，并改变根部结构。 ■激素信号：许多生理反应都是由激素介导的，特别是脱落酸(ABA)，它能关闭气孔并促进种子休眠，乙烯、水杨酸和茉莉酸也具有类似作用。 由此可见，作物对逆境条件的反应是复杂的，涉及到从分子和细胞调整到生理和发育转变等多个层面。此外，逆境条件会在植物发芽、育苗、幼苗等不同阶段，产生不同的影响，因此需要针对不同用物和环境，制定一整套解决方案。 不过，我们在提高作物抗逆性方面已取得突破性成果。预计未来几年还将取得长足进步。 6缓解逆境条件的影响，提高作物的抗逆性 农业如何应对 逆境条件的影响？ 在研究作物抗逆性解决方案时，通常首先要确定逆境条件下具有研究价值的作物，并通过在实验室、生长室或温室中对其进行受控胁迫(热、冷、含水量、盐度等)，来研究其逆境响应机制。 具体做法是，在没有干预的情况下，收集有关逆境响应的数据。或者作为对照实验的一部分，对同一种作物进行不同的逆境条件干预，进而比较干预条件下的不同表现，并与对照组进行对比，获取比较结果。 可以通过多种方式测量反应情况来确定干预措施的有效性。具体方法包括：视觉观察植物健康状况、多光谱成像(反射和吸收模式可检测健康种子和植物的标记，如叶绿素、养分或水分含量)，以及通过测量RNA来检测抗逆性植物中哪些基因处于活跃状态。 与种子处理和肥料等干预措施相比，缓解逆境条件对作物的影响仍是商业价值不高的领域。但随着气候的变化，这一领域的重要性在快速提升，许多企业和研究人员正在研发各种令人兴奋的解决方案。在本节中，我们将重点介绍几类新兴的方案。 缓解逆境条件的影响，提高作物的抗逆性7 催芽 催芽包括对种子进行部分水化，使其达到可以开始生理过程，但又不足以让种子真正发芽，即，出现根尖突起。催芽的目的是让种子播种后发芽更快、更均匀。这样做的好处很多，比如可以培育出更大、更均匀的植株，同时在提高作物抗逆性方面也将发挥越来越重要的作用。 催芽可以让种子越过最易受逆境影响的早期发芽阶段。量身定制的催芽条件还可用于激发特定的防御机制，(如抗氧化剂和渗透保护剂)，从而提高种子的抗逆性。 有些种子会经历休眠状态，停止发芽，直到条件适合时才会发芽。当条件不理想时，有些种子甚至会进入二次休眠。自然条件下，这种状态会增加幼苗的存活几率，但对于工业化作物生产来说，这种状态并不理想。因此，可以通过催熟来缓解一级休眠或防止二级休眠，方法是让种子越过恢复休眠的生理点。例如，莴苣种子在温度超过约22℃时会休眠，但经过催芽的种子可在约36℃的温度下 萌发，这样能够在各种条件下，在农民认为理想的时期培育种子。 在逆境条件下，有些种子根本不能很好地发芽，或者根本就不能发芽。而催芽却可在逆境条件提高作物的整体发芽率。例如，在20°C以下，未经催芽的番茄种子萌发缓慢，但经过催芽的种子更容易萌发，而且萌发速度更快。用催芽种子培育的植株从种子长成幼苗的速度要快得多，有时甚至快好几天。加快成熟过程--根系和叶片发育成熟--意味着缩短种子脆弱状态时期，减少天气突变导致植物死亡的机率。 8缓解逆境条件的影响，提高作物的抗逆性 生物刺激素 生物刺激素是可用于种子、植物或土壤的化学品或微生物。与旨在保护植物免受病虫害的杀虫剂不同，生物刺激素通过刺激自然过程，直接提高作物的生长性能。生物刺激素的作用方式多种多样，有的生物刺激素可提高作物的抗逆性。 生物刺激素可应对一种关键胁迫反应机制--抗氧化活性。逆境条件下的作物通常会产生过量的活性氧，而生物刺激素会向作物发出促进产生抗氧化剂的信号，这样作物便可清除过量的活性氧(ROS)。 渗透保护剂也是具有广阔前景的领域；这些有机小分子有助于植物细胞保持含水量，从而确保作物在炎热和干燥的天气中正常生长。在盐碱环境中，生物刺激素可以改善离子平衡，减少过量钠的毒性作用，作物因此可在原本不适宜生长的条件下正常生长。 生物刺激素可通过种子处理剂、土壤处理剂或叶面喷洒剂输送到作物体内。生物刺激素通常需要将复杂的分子或活的生物体输送到植物体内，这就意味着需要配制出能让生物刺激素保持活性的配方，并确保其在需要进入植物体内的准确位置被激活，因此，生物刺激素的配制过程非常具有挑战性。我们曾在“配制生物制剂”一文中，对这一挑战性进行了一番讨论。 "全球75%的可可种植 源自西非，但极端天气对全球可可供应和种植户的 生计造成了影响，而且气候变化造成天气和环境每况愈下。但我们欣喜地看到，使用抗氧化增效生物刺激素后，可可产量提高了35%以上，作物的抗逆性也大大增强。2023年，厄尔尼诺现象导致象牙海岸和加纳的可可减产40%，而使用生物刺激素的可可作物 依然保持增产。" HubertEhouman,UPL 缓解逆境条件的影响，提高作物的抗逆性9 育种 育种的方法很多。传统育种是将具有理想特性的作物进行杂交，使其暴露于逆境条件(如水分不足、高盐度、极端温度和营养缺乏)下，目的是诱导与应激相关的生理和生化变化，提高其抗逆性。这是一种成熟的方法，但速度慢，劳动强度高。 然而，现代测量技术现在使我们能够检测与理想特性相关的分子或遗传标记，以便更快、更有针对性地进行选择性育种计划。例如，AmaraldaSilva教授等人研究了为什么有些大豆比其他大豆更能抵御高温和干旱。他们发现，在逆境条件下，有些大豆种子会依赖叶绿素，而这些叶绿素会在种子生长过程中分解，从而导致种子寿命缩短。AmaraldaSilva等人通过DNA检测和叶绿素测量，发现在逆境条件下，某些基因与叶绿素的降解相关。这为培育具有这些基因的作物打开了大门，这样对于世界上最大的大豆产区来说，即使在日益炎热、干燥条件下，这些作物也能够适应。 基因工程技术是一种更有针对性但也更富挑战性的方法。这种技术直接操纵作物的基因组，插入或修改与逆境耐受性相关的基因。 CRISPR/Cas9等技术可以对植物基因组进行精确编辑，从而增强或抑制与抗逆性有关的特定基因。迄今为止，这种技术主要局限于实验室研究。植物遗传学研究的是多个基因以及这些基因与环境之间复杂的相互作用，因此很难可靠地创造出可以应用于现实情况的改良技术。对于基因编辑作物来说，监管审批也是漫长而具