Giriş Giriş Giriş

Dünya nüfusunun 2050 yılına kadar yaklaşık 10 milyara ulaşması, gıda üretiminde 60-70 artış talep edilmektedir. Aynı zamanda, kapita başına toprak daralmaya devam ediyor ve iklim değişikliği yeni abiyotik ve biyotik stresler getiriyor - daha iyi bir bitki çeşidi yaratma sanatı ve bilimi - bu meydan okumanın merkezinde daha yüksek potansiyele sahip olan geleneksel haçlı bitkiler, şimdi bu baskılarla hıza devam ediyor.

Bu yenilikler – genomikler, gen düzenleme, phenomics ve sentetik biyoloji – on yıldan birkaç yıla kadar üretim döngülerinin nasıl daha fazla performans gösterdiğini araştırmak için birlikte çalışır.Bu makale, tohum yetiştiriciliğinin yüksek verim potansiyeli için yeniden şekillendirilmesini araştırıyor, her teknolojinin nasıl çalıştığını ayrıntılı açıklamalar yapıyor ve tam söz vaadinin farkına varmadan önce hangi zorluklar gerçekleşebileceğini araştırıyor.

Urgent Yüksek Enerji Potansiyeline İhtiyacı Var

Enerji potansiyeli, en yüksek tahıl veya biyokütlelere atıfta bulunur, en iyi koşullarda üretebilir. 20. yüzyılda, Yeşil Devrim, yarı savaşlı genler aracılığıyla olağanüstü miktarda ürün tavanlarını artırdı, gelişmiş gübreler ve sulamalar gelişmiştir, ancak büyük tahıllarda elde edilen kazanımlar yavaşladı – bu da “yirli platod platod platod platolar” olarak adlandırılır.

Gelişen teknolojiler, veri potansiyelini yükseltmek için üç farklı avantaj sunar: (1) genetik kazanç oranını üreme döngüsüne hızlandırır, (2) birden fazla verim sağlayan genleri tek bir çeşitlilik içinde tanımlar ve depolar ve (3) daha önce geleneksel yollarla elde etmek imkansız olan yeni fizyolojik özellikler.

Genom seçimi ve Marker-Assisted Breeding

Genom Seçimi Nasıl Çalışır

Genom seçimi (GS) hem genotipli bir seçimden genom kılavuzluk tahminine kadar bir paradigma değişikliği temsil eder. Tipik bir GS programında, yetiştiriciler ilk olarak birkaç yüz ila birkaç bin bitkiden bir paradigma değişikliğini temsil eder (örneğin, SNP serisi veya tüm-genekon ayrımı) ve tahıl verimi, bitki yüksekliği ve çiçeklenme süresi gibi hedef özellikleri için yanlış bir şekilde yapılır.

Bu yöntem, seçim döngüsünü dramatik bir şekilde kısaltır. Konvansiyonel pedigree seçimi, tropikal bir mısır gibi tahıl verimini artırmak için altı ila sekiz nesil gerekir; GS bunu iki ila üç nesile kadar azaltabilir.

Marker-Assisted Backcrossing

GS genel performansı tahmin ederken, alt katta tolerans için kullanılan ekler (MABC) genetik arka planlara doğru ilerlemektedir. Örneğin, [[ExFLT:0)Sub1) pirinçte submergence tolerans için başarıyla taşındı.(xBC) moleküler işaretli işaretleri kullanarak, tahıl miktarını iki haftaya kadar uzatabilir ve aynı şekilde verimsiz olarak elde edilebilir.

İşaretli seçiminin bir sınırlaması, küçük sayıda büyük gen tarafından kontrol edilen özellikler için en iyi şekilde çalıştığıdır.Performanslar gibi oldukça poligenik özellikler için GS daha uygun. Breeders her iki yaklaşımı da bir araya getiriyor: hedefli gen dağıtım için GS kullanıyor.

Hız Büyüyü

Genom seçimi, hız yetiştiriciliği ile birlikte tam gücünü sağlar - 12 aydan daha kısa sürede üretim süresini ve sıcaklıklarını manipüle eden çevresel protokolleri, Queensland Üniversitesi'nde geliştirilen “ hızlı yetiştiriciliği” sistemi, bir veya iki yıl boyunca altı nesil buğday üretebilir.

Dış referans:0)CIMMYT,[Dönemli seçimde gensel seçimle ilgili rapor verir[Düz 1: 1).

CRISPR-Cas9 ve Gen Editing

CRISPR'ın İncelenmesi ve Hızlandırılması

CRISPR-Cas9, bakteri bağışıklık sistemi ile elde edilen bir gen-editing aracıdır.Özellikle ilişkili olmayan türlerin DNA'sını kesmek için bir rehber RNA kullanır, CRISPR düzenlemeleri daha sonra küçük eklemeler, deletions, veya alt kurumlar sunar - veya ABD gibi ülkelerde daha hızlı bir şekilde pazarlamaya izin verir.

Ürün tasarımı için CRISPR, bitki mimarisi, tahıl büyüklüğü ve stres toleransını değiştirmek için kullanılmıştır.Bir dönüm noktası, Çin'deki düzenlenmiş pirinç hatlarının düzenlenmesidir).

Enhancing Photos Sentetik Verimlilik

Özellikle CRISPR'ın iddialı bir uygulaması fotonöral verimliliğini artırmaktır. enzim Rubisco, fotorespirasyonun veya cyanobacteria'nın fotorespirar yolu ile sınırlı olduğu durumlarda, tütün ve pirinçin kesin düzenlemesini sağlar. Araştırmacılar ayrıca fotorespirasyonun kopyaladığı genlere kadar daha yüksek tahıl verimlerini silebilir.

Düzenleme ve Kamu Algı Meydanları

Potansiyeline rağmen, CRISPR-edited bitkileri eşitsiz global düzenlemelerle karşı karşıyadır. Avrupa Adalet Divanı, 2018 yılında, genom-edited organizmaların Transgenics olarak aynı sıkı GMO düzenlemelerine tabi olduğunu belirtti; aksine, ABD Tarım Bakanlığı, geleneksel çamurdan üretilebilen bitkileri düzenlemeyeceklerini belirtti.

Dış referans:0. CRISPR-i iyileştirilmiş fotorespirasyon üzerine makale pirinç).

Phenotyping ve Görüntüleme Teknolojileri

Yüksek performanslı Phenotyping Platforms

Genom seçimi ve gen düzenleme binlerce aday hattı yaratır, ancak yalnızca üst düzey alan performansı meselesine sahip olanlar, geleneksel filizlemeler - bitki yüksekliği, sayma ve el ile veri toplama - yoğun yoğun, yavaş ve hataya eğilimlidir. Yüksek hacimli filizleme (HTP), dronelarda sensörler, traktörler veya sabit gantries kullanarak verileri otomatikleştirmektedir. Bu sensörler ele alır.

Örneğin, multispectral kamera ile donatılmış bir drone, hasattan önce normalleştirilmiş fark bitki indeksi (NDVI) verileri toplamak ve daha önce seçim kararlarına izin vermek için son derece doğrulayıcı verileri tahmin edebilir. NDVI, biyomass ve veri toplama potansiyeline sahip olarak güçlü bir şekilde korelasyon sağlar.

Kök Phenotyping ve Hidden Traits

Su ve beslenme şekillerini belirleyen kök mimarisi ile sadece üst düzey özelliklerle değil, aynı zamanda kök mimarisi tarafından da etkilenmektedir. Geleneksel kök filizlenmesi gerekli yıkıcı kazılar - kameralarla donatılmış geniş bir kök büyümesiyle donatılmıştır.Bu veriler genotipleri daha derin köksüz sistemlerle tespit edebilir, alt katta değerli olmayan şekillerde sunar.

Trait Ekstraksiyon için Makine Öğrenme

Raw image verileri sağlam analiz olmadan işe yaramaz. Derin öğrenme modelleri, özellikle de on binlerce üreme hattının hızlı karakterizasyonuna izin verebilir.HTP'nin genomik verilerle entegrasyonu, ölçeklendirme ve görüntülenme oranı gibi dinamik özellikler için STL'leri ölçebilir. One CNN, statik ölçümlerde görünmez olan genlerin ortaya çıkmasının tek bir zamanda elde ettiği %96'lik bir noktada gerçekleşir.

Biyoteknoloji ve S Sentetik Biyoloji

Zenginlik için genetik Modification

CRISPR küçük değişiklikler üretirken, geleneksel genetik modifikasyon (GM), ekin gen havuzunda bulunmayan tamamen yeni genlerin veya sentetik yolların tanıtılmasına izin verir.En başarılı verim sağlayan ürünlerden biri, Bt bitkileri verim potansiyelini korur -% 8-12 artış mısırın zararlı baskı altında bir miktar artış gösterir.[D)

Sentetik Biyoloji: Mühendislik Yeni Yol yolları

Sentetik biyoloji, yeni biyolojik devreleri tasarlayarak ve inşa ederek bir adım daha ileri gider. Araştırmacılar, azot ekleme simbiosis'i pirinç ve maize gibi ekleyen bitkileri - Başarılı bir şekilde, tahıl bitkileri, kendi azotunu atmosferden düzeltebilir ve potansiyel olarak azot kısıtlamalarını azaltabilir.C4 Rice Project", yüksek ışık sıcaklığı ve yüksek ısı altında% 50 daha verimli bir C4 bitkisi - Kranz anatomisi ve biyokimyasal yolu tanıtarak daha verimli bir şekilde C4 pirinç miktarını yüksek ışık altında% 50 oranında yükseltebilir.

Mikrobiyome Mühendisliği

Bir bitkinin verim potansiyeli, ilişkili mikrobiyom topluluğunun da etkisi altındadır. Örneğin, yararlı bakteriler ve mantarlar (biyoinoculants) besin alımı ve stres toleransını artırabilir. Gelişmiş yaklaşımlar mühendislik mikrobiyom kendisini içerir - örneğin, rhizosphere ve phyllosphere'u buğdayı% 5-10 oranında artırmak için kolonileştirmiştir.

İklim-Resilient Tohum Breeding

Yüksek verim potansiyeli, bitkileri değişen bir iklimin çevresel streslerine dayanamazsa anlamsızdır. Gelişen teknolojiler özellikle ısı toleransını, kuraklık direncini ve sel adaptasyonunu artırmak için uygulanır.Evreler, inancaghum has found haplotypes that maintain tahıl service under resources over 0.10C. Gene editing has been used to change the heat solution,0)SRL1 Gen in pirinç to reducearak, Phenotyping platformları.

Drought tolerans yetiştiriciliği, yüksek hacimli genetik arka arka planların dağıtımını kullanarak %20'ye kadar gelişmiştir.InMYB44[Dönetici: 1 ) Soya'daki birçok kamu ve özel üreme programı için mevcut bir önceliktir.

Future Outlook

Bir sonraki on yılda, otomatik hasat ve yüksek kaliteli bitki için tasarlanmış yeni ek mimarileri görmeyi bekleyebiliriz. Dijital yetiştiricilik platformları, genomik, phenomic ve çevresel verilerin “önemli” çeşitli gelişimde, bilgisayarların tek bir tohum oluşturmadan önce en iyi genotiplerini görmeyi bekleyebiliriz. Tüm yetiştiricilik döngüsü iki yıldan daha az bir miktar bitkiye indirgenebilir.

Ancak, bu potansiyelin disiplinler ve sektörlerde işbirliği gerektirdiğini fark edin. genomik altyapıdaki kamu yatırımları, açık kaynaklı işaretler ve modeller için açık kaynak veri tabanı ve çiftçi-participatory on-farm testleri temel olacaktır. Düzenleme çerçeveleri, transgenic GMOs'tan farklı olarak çiftçilere ulaşma olanağı sağlamak için evrimleşmeli ve yeni tohum teknolojilerinin güvenlik ve yararları hakkında bilgi edinmek için güvenli yeniliklere izin verir.

Etik düşünceler dağıtıma rehberlik etmelidir: Bu veri kazançlarının beslenme kalitesine pahasına gelmemesini sağlamak, küçük çiftçilerin gelişmiş çeşitlere erişimi vardır ve tohum patentleri, mikrobiyozun serbest değişimini kısıtlamaz. Dikkatli bir şekilde, ortaya çıkan teknolojiler, dünyanın büyüyen gıda talebini karşılamak için yardım edebilir, ancak sürdürülebilir bir gelecek için gerekli olan bir hedeftir.

Dış kaynaklar:0)FAO, gelişmekte olan tohum teknolojileri hakkında rapor verir).