论文标题：Plant Factory Speed Breeding Significantly Shortens Rice Generation Time and Enhances Metabolic Diversity

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.09.019

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近日，中国农业科学院都市农业研究所等单位的科研团队在中国工程院院刊《Engineering》以“Plant Factory Speed Breeding Significantly Shortens Rice Generation Time and Enhances Metabolic Diversity”（植物工厂快速育种缩短水稻世代时间提高代谢多样性）为题发表论文，介绍了一种植物工厂多层立体水培快速育种系统，该系统能显著缩短水稻育种周期，同时提升其代谢多样性，为解决全球种业振兴和粮食安全问题带来了新的曙光。文章共同第一作者为刘毅、李宗耕，通讯作者为刘宏艳、甘人友、杨其长。

水稻作为全球 60% 以上人口的主食，在粮食安全中地位举足轻重。然而，常规水稻育种周期长、效率低，难以满足未来人口增长对粮食的庞大需求。在此背景下，研究和开发 “快速育种” 技术成为保障粮食安全的关键。

植物工厂是一种环境完全可控的高效农业系统，能为作物生长提供最佳条件。但以往延长光照时间的方法不适用于水稻这类短日照作物的快速育种。为解决这一难题，科研团队设计了多层立体水培快速育种系统。

图1. 植物工厂水稻快速育种系统。(a) 植物工厂和大田栽培水稻对比图；(b) 植物工厂和大田水稻种子的生长周期；(c) 水稻快速育种图。

实验以籼稻（ZF802M）为材料，先将种子浸泡、播种，在特定光环境下育苗，再定植到多层水培种植系统中，通过精准调控光、温、湿、营养液等环境要素进行培育。结果令人惊喜，籼稻在定植后第 63 天即可收获，生育期较传统大田栽培缩短了一半，一年能够繁殖 5 - 6 代。

该系统优势显著。与现有快速育种技术主要调控地上部环境要素不同，它能兼顾地下根际环境与营养的控制，实现地上 - 地下环境与营养的协同调控。水培方式为作物生长提供充足养分，提高养分利用率，且立体栽培扩大了空间利用效率，降低了运营和能耗成本。

除了加速育种，科研团队还深入探究了植物工厂水耕栽培对稻米品质的影响。利用高光谱成像系统（HSI）、全红外（ATR - IR）光谱，结合超高效液相色谱 - 质谱（UPLC - MS/MS）和气相色谱 - 质谱（GC - MS）代谢组学分析等技术手段，对植物工厂水稻与大田栽培水稻的品质差异进行了系统研究。

光谱分析结果显示，通过 ATR - IR 和 HSI 光谱，结合 PCA 和 OPLS - DA 模型，可以看出植物工厂和田间种植的水稻种子存在一定的内在差异。代谢组学分析发现，植物工厂培养的水稻种子非挥发性代谢物总量高于田间种植的水稻种子，酚酸和有机酸的相对丰度显著增加，这可能增强了水稻的抗氧化成分，使其更具营养价值，但氨基酸的相对丰度低于田间种植的水稻种子。

在挥发性代谢物方面，虽然植物工厂培养的水稻种子中挥发性物质的总量低于田间种植的水稻种子，但酚类、酮类、芳香族化合物和胺类的积累显著增加，这对增强籼稻的风味品质有益。研究还鉴定出了一些仅在植物工厂培养的水稻种子中检测到的非挥发性和挥发性物质，这些可能成为区分植物工厂水稻的生物标志物。

植物工厂快速育种系统不仅能应用于水稻育种，还可推广到小麦、大豆、玉米和苜蓿等各类作物，并且能与高通量作物表型、模型预测、分子标记辅助选择和基因编辑等现代育种技术相结合，形成全新的育种技术体系，大幅提升作物遗传改良效率。

这项研究证实了植物工厂在加速水稻育种、提升育种效率和营养品质等方面的巨大潜力，为应对未来全球人口增长和气候变化带来的粮食安全挑战提供了有力的技术支撑。相信在不久的将来，植物工厂将在保障全球粮食安全的道路上发挥越来越重要的作用。

引用信息：

Yi Liu,Zong-Geng Li,Hao Cheng,Xiao Yang,Ming-Yue Li,Hong-Yan Liu,Ren-You Gan,Qi-Chang Yang. Plant Factory Speed Breeding Significantly Shortens Rice Generation Time and Enhances Metabolic Diversity. Engineering, https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.09.019

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https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2024.09.019

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