问题描述

“淮南为橘，淮北为枳”，生动说明了环境影响农作物育种和栽培有效性的重要程度，因此外界环境因子对基因到表型的过程调控机制及其作用网络是一个重大科学问题。涉及到环境响应、基因表达、性状发育、品质形成等复杂的内外协同调控过程。研究农作物基因到表型的环境调控网络，有望提高农作物育种效率，实现定向育种与精确栽培。

问题背景

习近平总书记指出，粮食安全是治国理政的头等大事。种业高质量发展及“藏粮于地、藏粮于技”是保障我国粮食安全和重要农产品有效供给的战略需求，也是实施乡村振兴战略的首要任务。但栽培环境对作物生长的影响，打破了基因决定性状的铁律，作物的“基因-环境-表型”相互协同作用的结果决定了品种的适用性和实用性，以及栽培措施、环境的有效性。因此在育种工作中需要对特定环境下重要农艺性状的基因表达的规律与模式进行深入研究，并结合表型性状的综合分析进行策略调整，以育成适应特定生态环境及栽培条件的优良品种，实现良种良法的配套及资源最优配置。

在此背景下，基因组学研究、表型组学研究及环境生物学的融合研究成为了作物育种及栽培理论和技术研究的重点方向之一。后基因组时代，农作物表型组学研究也已经成为农业科学研究领域的一个前沿和热点。

最新进展（截止问题发布年度）

基因组学和表型组学是生物科学的两个重要分支，他们处于多组学家族研究的两端。农作物基因组学研究，尤其是对控制重要农艺性状的基因组成情况分析，以及对调控复杂性状的分子网络的解析，可以提供每个农作物品种全基因组的遗传信息。目前已经实现了对重要农作物，如水稻、小麦、玉米、大豆、油菜、棉花、大宗蔬菜、主要水果等基因组测序或重测序，实现了对控制重要农艺性状关联基因的大规模克隆和鉴定，并指导了部分作物的育种工作。

新兴的植物表型组研究机构正在世界范围内建立，高通量表型可以记录作物农艺性状的时间系列数据以及自上而下和三维植物生长发育模型。这种全面、多维的表型分析允许对基因型和/或环境影响的特定假设在数百或数千种作物中进行测试，然后将其与整个基因组序列变异联系起来。目前的表型平台包括多种成像方法，以获得高通量的无损表型数据，用于复杂性状的定量研究，如生长、耐受性、抗性、结构、生理、产量以及构成更复杂性状基础的个体定量参数的基本测量。2011年，Hartmann等开发了可靠、自动和高通量的表型研究平台，在因果基因和背景变异、性状之间的关系、植物生长行为以及在各种条件下的繁殖等表型组学研究方面有重大发现，解决了提取多参数表型信息以及遗传变异性研究等方面的堵点和难点。

但至今，在基因组和表型组之间还未建立起完整、有效的功能链接，并且作物在生长和繁殖过程中由于外界环境的影响会显现出不同的性状，影响育种和栽培的有效性。比如当基因型在不同的环境条件下生长时，作物表现出表型可塑性，而这种可塑性在极端条件下如霜冻、干旱和盐碱化尤为明显。2014年，Hairmansis等以水稻品种IR64和Fatmawati为材料，建立了基于图像的耐盐表型分析方法，结果显示水稻对盐胁迫的响应与对照有显著差异。此外，Dawson等发现作物前几代所经历的环境因素会对下一代产生很大影响，Gratani等也发现在快速变化的环境条件下，表型可塑性比遗传多样性更有可能发挥重要作用，使植物能够在其环境中持续生存。另外一个趋势是，以往表型可塑性的研究一直集中在非生物因素上，现在也扩展到了生物因素，环境综合影响作物生长的规律和机制研究成果也促进了先进栽培技术的研发与应用，比如设施栽培中的温光水气等的调控技术等。

“十四五”期间，农业生物种质资源挖掘与创新利用、主要农作物丰产与提质增效、动植物重大灾害防控科技支撑、农业绿色发展关键技术研发与产品创制等国家级科研计划的实施，以及国际表型组计划的开展，有望进一步推动对环境对基因到表型的调控网络的理解和认识，为有效支撑定向育种和精确栽培奠定基础。

重要意义

在应对气候变化的大背景下，揭示作物基因作用的分子机制和重要农艺性状形成的环境分子基础，并在获取相关基因信息和表型信息的基础上，关联表型与基因型及其环境条件，有利于构建分子定向设计育种体系，促进培育高产、稳产、优质、高效和环境友好的突破性农作物新品种，并有利于加强精准化栽培管理，有效落实“藏粮于地、藏粮于技”，全面推进乡村振兴。