מבוא

אוכלוסיית העולם צפויה להגיע לכמעט 10 מיליארד עד שנת 2050, בדרישה לעלייה של 60-70% בייצור המזון.באותו זמן, אדמות ערב לנפש ממשיכות להתכווץ, ושינוי האקלים מציג מתחים אבולוטיים וגלוטיים חדשים.

חידושים אלה - genomics, עריכת גנים, פנומיקים וביולוגיה סינתטית - פועלים יחד כדי לדחוס מחזורי הרבייה מעשור עד כמה שנים תוך הגדלת דיוק הבחירה. מאמר זה חוקר את הטכנולוגיות המתעוררות המפתח המעצבות מחדש זרע לפוטנציאל התשואות גבוה יותר, מתן הסברים מפורטים של איך כל טכנולוגיה עובדת, מה שהושג עד כה, ומה נשאר לפני ההבטחה המלאה שלה יכול להיות מובן.

צורך דחוף לפוטנציאל גבוה יותר

פוטנציאל ניב מתייחס לגרגר המקסימלי או הביומסה של יבול יכול לייצר בתנאים אופטימליים.במאה ה-20, המהפכה הירוקה העלתה באופן דרמטי תקרה באמצעות גנים למחצה, דשנים משופרים, ושקרציה.אבל תשואות בדגנים גדולים האטו - תופעה הנקראת "התתתתתת זרם אוויר קיצוני" במקביל, אירועים קיצוניים הקשורים לשינוי האקלים הם למעשה הפחתת פוטנציאל מתחת לפוטנציאל של ייצור חקלאי ישיר, אשר אינו יכול להגדיל את רמת הייצור.

טכנולוגיות מתפתחות מציעות שלושה מוליכים נפרדים להעלאת פוטנציאל התשואות: (1) מאיצה את שיעור הרווח הגנטי למחזור הרבייה, (2) זיהוי וערעור גנים רבים של תשואות למגוון יחיד, ו-(3) הנדסה של תכונות פיזיולוגיות חדשות שלא ניתן להשיג קודם לכן באמצעים קונבנציונליים.

בחירה אמיתית ומארקר-אסזה

איך בוחרים ויזואליים עובדים

בחירה Genomic (GS) מייצגת שינוי פרדיגמטי מבחירה מבוססת פנוטיפ לחיזוי מונחה גנום. בתכנית GS טיפוסית, מגדלים תחילה להרכיב "אוכלוסייה מניהול" של כמה מאות עד כמה אלפי צמחים שהם שניהם גנוטיפד (באמצעות קידוד SNPs או אלגוריתם למידה שלם) ופנוטיפד עבור תכונות מטרה כגון גרגר, גובה צמחי, ומודל גנטי חדש של זמן קצר לאחר מכן, כלומר, אם הוא רק אלגוריתם למידה גבוהה של תאים, לעתים קרובות, בין אם הוא מודל של תאים גנטיים, או דגם למידה, לעתים קרובות, 000 של תאים חדשים של תאים מאומנים של תאים.

שיטה זו מקצרת באופן דרמטי את מחזור הבחירה.בחירת פדגוגיה לאמנה עבור יבול עצמי כמו חיטה דורש שישה עד שמונה דורות כדי להשיג הומוזיגוסיות; GS יכול להפחית את זה לשני עד שלושה דורות.המרכז הבינלאומי לשיפור חיטה (CIMMYT) השתמש GS כדי להגדיל את הרווח הגנטי עבור גרגר ב- טרופין על ידי יותר מ-3% לשנה - או יותר - עם שיעור התקני קונבנציונאליטר עם שיטות קונבנציונליות.

מארק-אסיסט חוזר

בעוד GS צופה ביצועים הכוללים, גבורד-מחדש (MABC) משמש ליזום גנים ספציפיים לתוך רקעים עילית.לדוגמה, הגן על גבו של סימון:0Sub1igtureFLT:1 לחלבון תת-התעתק אורז עבר בהצלחה זנים עתירי-היתר באמצעות סמנים מולקולריים, יצירת קווים שיכולים לשרוד שיטפון מקושרים ל-2 שבועות בלבד (F1) כמו למשל:

הגבלה אחת של בחירת סימון-אסד היא שהיא עובדת הכי טובה עבור תכונות נשלטות על ידי מספר קטן של גנים גדולים. עבור תכונות פוליגניות גבוהות כמו תשואה, GS הוא יותר מתאים. Breeders לשלב יותר ויותר את שתי הגישות: באמצעות GS לשיפור כללי ו MABC עבור פריסת גנים ממוקדת.

המונחים: baredingאינטגרציה

הברירה הגנומית מספקת את מלוא העוצמה שלה בשילוב עם גידול מהיר - פרוטוקולים סביבתיים מבוקרים שמשמרים photoperiod וטמפרטורה כדי להאיץ את פיתוח הצמח.לדוגמה, מערכת "הגידול המהיר" שפותחה באוניברסיטת קווינסלנד יכולה לייצר עד שישה דורות של חיטה בשנה במקום אחד או שניים. על ידי שילוב GS עם גידול מהיר, מגדלים יכולים להשלים מחזור מלא בפחות מ 12 חודשים, תוך דחיסה של מה שלקח פעם 10 שנים עד 3-4 שנים.

שם הספר בלועזית:0.2016:0.

CRISPR-Cas9 ו- Gene Editing

המונחים: Speed of CRISPR

CRISPR-Cas9 הוא כלי גידן שנוצר ממערכת חיסונית חיידקית.זה משתמש ב-RNA מדריך כדי לכוון את Cas9 nuclease כדי לחתוך DNA במיקום מסוים.המנגנוני התיקון הטבעי של התא ואז להציג תנודות קטנות, מחיקתים, או החלפת substitutions - או לאפשר הוספת תבנית DNA חדשה.

(הופנה מהדף CRISPR שימש לשינוי גנים השולטים באדריכלות הצמח, גודל דגנים וסובלנות הלחץ.דוגמה אחת היא העריכה של FLT:0GS3FLT:1, FLT:2GW2earFLT 3, ו-FLT:4GW5FLT:5FLT:5 גנים אורז כדי להגדיל משקל ואורך דגנים של ניסויים בקווי אורז הראו עלייה שלילית של 10-20% של אורז ללא עלייה של 10.

המונחים: photoynthetic Efficiency

יישום שאפתני במיוחד של CRISPR הוא שיפור יעילות פוטוסינתזה. האנזים Rubisco הוא לשמצה יעיל, ומאמצים להחליף אותו עם גרסאות מהירות יותר של אצות או cyanobacteria כבר מוגבל על ידי המורכבות של הגנום chloroplast. CRISPR מאפשר עריכת מדויקת של גנים גרעיניים כי רגולציה של יבולים ופעילות.

אתגרים רגולטוריים וציבוריים

למרות הפוטנציאל שלו, היבולים המוערכים CRISPR עומדים בפני רגולציה גלובלית לא אחידה.בית המשפט האירופי לצדק פסק בשנת 2018 כי אורגניזמים מעובדים בגנום כפופים לתקנות GMO המחמירות כמו טרנסגניות, למעשה חוסמים בדיקות שדה באירופה.בניגוד לכך, משרד החקלאות האמריקאי הצהיר כי הוא לא ישלוט יבולים שניתן היה לייצר באמצעות mutagenesis קונבנציונלי, פתח את הדלת למתן מסחרי וניתן גם לאימוץ.

מאמר זה של המאמר:0 (במאמר הטבע על CRISPR-imrated photorespiration in RiceFLT:1).

Phenotyping ו Imaging Technologies

פלטפורמות Phenotyping

הברירה הגנומית ועריכה גנים יוצרים אלפי שורות מועמדים, אך רק אלה עם חומר ביצועים שדה מעולה. phenotyping מסורתי - גובה צמחי מרגיע, ספירה עמידה, ותשואות על ידי יד - הוא עבודה אינטנסיבית, איטי, ו נוטה לטעות. high-put pheyping (HTP) איסוף נתונים באמצעות חיישנים על רחפנים, טרקטורים, או חיישנים קבועים, כמו ספקטרום חנקן, תכונות חנקן, חנקן חנקן, תכונות חנקן חנקן פיזיולוגיות, חנקן חנקן 3, חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן פיזיולוגיות, חנקן חנקן חנקן נוירונים חנקן חנקן חנקן חנקן , תכונות חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן חנקן נוירונים חנקן , פיזיולוגיות

לדוגמה, מזל"ט מצויד עם מצלמה רב-ספקטרום יכול לעוף מעל אחות גידול חיטה ללכוד את מדד צמחייה הבדל נורמלי (NDVI) נתונים עבור אלפי מזימות בתוך דקות. NDVI הוא מאוד מתואם עם ביומסה ופוטנציאל הניב. על ידי שילוב של NDVI זמן-סדרה נתונים עם מכונה, מגדלים יכולים לחזות תשואה סופית עם שבועות גבוהים לפני, ומאפשרים החלטות קודמות.

שורש Phenotyping ו-Hole Traits

פוטנציאל פגום מושפע לא רק מתכונות מעל הקרקע, אלא גם על ידי אדריכלות שורש, הקובעת מים ורכיבה תזונתית.השורש המסורתי phenotyping הנדרש חפירות הרסניות - זמן-הארכה ובלתי אפשרי בקנה מידה גדול. טכנולוגיות הדמיה חדשות, כולל לחות חודרת קרקעית וגמישות חשמלית למולמוגרפיה, מציע דרכים לא פולשניות להעריך עמוק ותבניות בצורת נשלטות, כגון: פצעים חד-צדדיים, יכולות לזהות יותר ויותר עם מצלמות אבטחה (מדומים) עם לחץ על פני השטח).

Machine Learning for Trait Extraction

נתוני תמונה Raw הם חסרי תועלת ללא ניתוח חזק.מודלים למידה עמוקה, במיוחד רשתות עצביות מבוכות (CNN), יכולים לספור באופן אוטומטי דגנים לכל פאניקה, למדוד גודל הקרנל, ולדרג חומרת מחלה מתמונות.One CNN שהוכשרו על תמונות של ספייקטים חיטה השיגו דיוק בספירת ספיידרונים, המאפשרת התאמה מהירה של אלפי קווי הרבייה.

ביוטכנולוגיה וביולוגיה סינתטית

שינוי גנטי עבור Yield Traits

בעוד CRISPR מייצרת עריכת קטנות, שינוי גנטי מסורתי (GM) מאפשר מבוא של גנים חדשים לחלוטין או מסלולים סינתטיים שאינם קיימים במאגר הגנים של היבול.אחד המאפיינים המוצלחים ביותר של GM-encing GM הוא מבוא של צינורות FLT:0BtFLT:1 מ FLT%:2Bacius thuring GMpLT 3, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

ביולוגיה סינתטית: הנדסה חדשה נתיבים

הביולוגיה הסינתטית הולכת צעד נוסף על ידי תכנון והקמה של מעגלים ביולוגיים חדשים. חוקרים הם הנדסה הסימביוזה של חנקן לתוך יבולים שאינם בינוניים כגון אורז ומזזזז. אם מצליחים, דגנים יכולים לתקן את החנקן שלהם מהאווירה, צמצום הצורך של דשנים סינתטיים ותשואות פוטנציאליות על ידי הסרת מגבלות של C4 רייס "מטר" כדי להמיר - C3 לצמח יעיל יותר מאשר Cnz C4 מציעות גבוהות יותר מאשר קרינת אור.

הנדסה מיקרוביומה

(ה) פוטנציאל התשואות של הצמח מושפע גם מהקהילה המיקרוביאלית המשויכת שלו.הטיפולים עם חיידקים מועילים פטריות פטריות ופטריות (ביונוקולנטים) יכולים לשפר את ההתעלות המזין והסובלנות למתח.

אקלים-Resilient Seed

פוטנציאל תשואה גבוה יותר הוא חסר משמעות אם גידולים לא יכולים לעמוד בלחצים הסביבתיים של אקלים משתנה.טכנולוגיות מתפתחות מוחלות במיוחד כדי לשפר את סובלנות החום, התנגדות בצורת, והסתגלות הצפה. הברירה הגנומית של סובלנות תרמית ב sorghum זיהה את haplotypes כי לשמור על תשואה מתחת לטמפרטורות מעל 40 מעלות צלזיוס, עריכת גנים שימשה כדי לשנות את ה-F:0SRL1FalF1LT:1 ב- HIV מ-NUMF: לצמצום של סוללות חד-חמצני יכול להיות מופחתת חום סגולהוריכותלאורגנית למצלמות חום ולהפחית את המצלמות.

גידול סובלנות דדוק התקדם באמצעות פריסת ה-FLT:0 [AtmYB4403uaFLT:1] גן ב סויה, וכתוצאה מכך קווים הניבים 20% יותר מאשר שליטה תחת בצורת מתון.שלב תכונות אלה של מתח עם רקע גנטי גבוה בעל רקע גנטי מרתיע באמצעות כיסוי מסמנים הוא עדיפות נוכחית עבור תוכניות רב-ציבוריות ופרטיות.

תחזית עתיד

ההתכנסות של בחירת גנומית, עריכת גנים, phenomics, וביולוגיה סינתטית יוצרת האצה חסרת תקדים ברווח הגנטי. בעשור הבא, אנו יכולים לצפות לראות ארכיטקטורות יבול חדשות לחלוטין, כגון "אידיוטיפים" המיועד לקוצר רוח אוטומטי ונשחתת דיוק גבוהה. פלטפורמות הרבייה הדיגיטליות שמשלבות בין גנומית, פנומית, סביבתית ונתונים יאפשרו "מגוון תרופות" המאפשרים, שבו ניתן לייצר יבולים רבים, פחות ממחזור אופטימליים, לפני שנים.

עם זאת, מימוש הפוטנציאל הזה דורש שיתוף פעולה בין דיסציפלינות ומגזרים.השקעות ציבוריות בתשתיות של גנומיקים, מסדי נתונים קוד פתוח עבור סמנים ומודלים, ומבחן חקלאי-חלקי על-ידי חקון מרחוק יהיה חיוני.מסגרות רגולטוריות חייבות להתפתח כדי להבדיל גנום מ- GMO transgenic, המאפשר חידושים בטוחים להגיע לחקלאים ללא עיכובים מיותרים.

שיקולים אתיים חייבים להנחות פריסה: להבטיח כי רווחי התשואות לא יגיעו על חשבון איכות תזונתית, כי חקלאים בעלי חיים קטנים יש גישה לזנים משופרים, וכי פטנטים זרע אינם מגבילים את החליפין החופשי של גרמבוסים.עם דירקטוריות זהירה, הטכנולוגיות המתעוררות המתוארות כאן יכולות לעזור לעמוד בביקוש המזון הגדל בעולם תוך צמצום טביעת הרגל הסביבתית של החקלאות – מטרה שאינה רק רצויה אלא חיונית לעתיד בר קיימא.

מקורות חיצוניים:0 (FLT:0) דיווח על טכנולוגיות הזרע המתעוררות