農(nóng)業(yè)一直是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。全球人口的快速增長對糧食安全提出了更高的要求，需要確保有足夠的、營養(yǎng)豐富的食物供應(yīng)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在滿足這一需求上面臨著諸多挑戰(zhàn)，如可耕地減少、極端天氣頻繁、糧食安全問題凸顯等。可持續(xù)發(fā)展已成為全球社會(huì)的共識，這意味著在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域要減少對自然資源的消耗，降低環(huán)境污染，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和可持續(xù)性。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)作為一種新興的、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)模式應(yīng)運(yùn)而生。室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)通過在垂直分層的生態(tài)系統(tǒng)中精確控制環(huán)境條件，可以在有限的空間內(nèi)，不受自然天氣條件的影響，實(shí)現(xiàn)全年高效生產(chǎn)，同時(shí)減少對土地、水和能源的浪費(fèi)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。然而，要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還需要解決一系列關(guān)鍵問題，其中作物的遺傳育種是至關(guān)重要的一環(huán)。

近期，Nature旗下子刊npj Sustainable Agriculture發(fā)表了新加坡國立大學(xué)生物系Zhi Wei Norman Teo和Hao Yu題為Genetic breeding for indoor vertical farming的綜述文章，概述了作物育種的最新技術(shù)進(jìn)步，并討論了開發(fā)適合可持續(xù)室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)實(shí)踐的作物所需的基本性狀和潛在的育種工作流程。

隨著城市化進(jìn)程的加速，越來越多的人口集中在城市地區(qū)，對食物的需求不斷增加。室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)可以在城市內(nèi)部或周邊地區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)，能夠更高效地為城市居民提供新鮮的食物。在一些大城市中，土地資源稀缺，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)無法滿足城市的食物需求，而室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)通過垂直分層系統(tǒng)，可以在有限的空間內(nèi)大量種植農(nóng)作物，從而保障城市的食物供應(yīng)。面對氣候變化和極端天氣等環(huán)境挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)容易受到影響，導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)通過精確控制環(huán)境條件，如光照、溫度、濕度和養(yǎng)分等，可以使農(nóng)作物不受自然天氣的影響，穩(wěn)定地進(jìn)行生產(chǎn)。這使得城市在面對環(huán)境變化時(shí)，仍然能夠保障食物的穩(wěn)定供應(yīng)，增強(qiáng)城市的韌性。室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)采用可持續(xù)的生產(chǎn)方式，如循環(huán)利用水資源、減少能源消耗等。這有助于減少城市的生態(tài)足跡，降低對自然資源的依賴，符合城市可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。同時(shí)，它還可以減少食物運(yùn)輸過程中的碳排放，進(jìn)一步促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要一系列先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，這推動(dòng)了農(nóng)業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如，在照明、氣候控制、自動(dòng)化管理等方面的技術(shù)創(chuàng)新，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。同時(shí)，室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)也可以創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

圖1 室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)給當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)帶來的好處。

在城市化地區(qū)建立室內(nèi)垂直農(nóng)場能為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)帶來經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境方面的優(yōu)勢，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展并提升居民的福祉。

在室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)中，照明技術(shù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的自然光照無法滿足室內(nèi)種植的需求，因此需要?jiǎng)?chuàng)新的照明技術(shù)。采用特定光譜的人工光源，可以根據(jù)不同作物的生長需求進(jìn)行調(diào)整。像生菜等葉菜類作物可能需要較多的藍(lán)光來促進(jìn)光合作用和葉片生長，而一些開花結(jié)果的作物可能需要不同比例的紅光等。這些精確控制光譜的照明技術(shù)，使得農(nóng)業(yè)從業(yè)者能夠在室內(nèi)為作物提供適宜的光照條件，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量。

室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)需要精確控制溫度、濕度、通風(fēng)等氣候條件。創(chuàng)新的氣候控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通過智能傳感器和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)的溫度、濕度等參數(shù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。在炎熱的夏季，可以通過制冷系統(tǒng)降低室內(nèi)溫度，防止作物受到高溫危害；在寒冷的冬季，可以通過加熱系統(tǒng)保持適宜的溫度。同時(shí)，精確控制濕度可以避免作物因濕度過高而發(fā)霉或因濕度過低而缺水，通風(fēng)系統(tǒng)則可以保證室內(nèi)空氣的新鮮和二氧化碳的充足供應(yīng)，有利于作物的光合作用。

農(nóng)業(yè)面臨勞動(dòng)力成本高和勞動(dòng)力短缺等問題，自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新可以解決這些問題。采用自動(dòng)化的播種、灌溉、施肥和采摘設(shè)備，可以減少人工操作，提高生產(chǎn)效率。自動(dòng)化的播種設(shè)備可以精確地將種子播撒在合適的位置，保證種子的發(fā)芽率；自動(dòng)化的灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)作物的需水情況進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，避免水資源的浪費(fèi)；自動(dòng)化的施肥設(shè)備可以根據(jù)土壤養(yǎng)分狀況和作物生長階段進(jìn)行合理施肥；自動(dòng)化的采摘設(shè)備可以在作物成熟時(shí)及時(shí)采摘，保證作物的品質(zhì)。

農(nóng)民和育種者需要培育適合室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)環(huán)境的作物品種。遺傳育種技術(shù)的創(chuàng)新為此提供了可能。基因編輯技術(shù)（如CRISPR-Cas9）可以對作物的基因進(jìn)行精確編輯，使其具有適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境的性狀。可以改變作物的光合作用相關(guān)基因，使其更適應(yīng)人工照明條件；或者改變作物的株型基因，使其更適合在垂直分層系統(tǒng)中生長，提高空間利用率。同時(shí)，結(jié)合基因組學(xué)和表型組學(xué)的先進(jìn)育種技術(shù)，可以快速篩選出具有優(yōu)良性狀的親本，加速新品種的培育過程。

圖2 作物育種技術(shù)的最新發(fā)展。

新一代測序（NGS）、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和表型分析能力的結(jié)合，徹底改變了育種者培育具有適合室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)性狀的新作物品種的方式。

室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)主要依靠人工照明，因此需要優(yōu)化作物對人工光照的適應(yīng)性。這包括對光照強(qiáng)度、光譜和光照時(shí)間的適應(yīng)。例如，一些作物可能需要在較低的光照強(qiáng)度下也能進(jìn)行高效的光合作用，以適應(yīng)室內(nèi)照明系統(tǒng)可能存在的光照不均勻問題。同時(shí)，不同作物可能對光譜有不同的需求，如葉菜類作物可能更適應(yīng)富含藍(lán)光的光譜，而一些開花結(jié)果的作物可能需要更多的紅光成分。優(yōu)化作物對光照的適應(yīng)性，可以提高作物在室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)環(huán)境中的生長效率和質(zhì)量。

室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)采用垂直分層系統(tǒng)，空間有限。因此，作物的性狀需要優(yōu)化以更好地利用空間。這可能包括植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，例如植株矮小緊湊、葉片排列合理等，以便在有限的空間內(nèi)種植更多的作物。同時(shí)，作物的根系結(jié)構(gòu)也可能需要優(yōu)化，使其能夠在較小的種植容器或基質(zhì)中良好生長，減少對空間的占用。優(yōu)化空間利用性狀，可以提高室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)的種植密度，增加產(chǎn)量。

為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)的高效生產(chǎn)，作物的生長周期可能需要優(yōu)化。一些作物可能需要縮短生長周期，以便在一年內(nèi)能夠多次種植和收獲，提高土地利用率和產(chǎn)量。這可能涉及到對作物的生長速度、發(fā)育階段等方面的調(diào)控。通過選育早熟品種或利用基因編輯技術(shù)改變作物的生長調(diào)控基因，使作物能夠更快地完成生長周期，適應(yīng)室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)節(jié)奏。

室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)雖然可以控制環(huán)境條件，但仍然可能存在一些環(huán)境波動(dòng)或潛在的脅迫因素。因此，作物需要優(yōu)化抗逆性狀。這包括對溫度波動(dòng)、濕度變化、病蟲害等方面的抵抗能力。通過選育具有較強(qiáng)抗寒或耐熱能力的品種，或者通過基因編輯技術(shù)增強(qiáng)作物對病蟲害的防御機(jī)制，使作物能夠在室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定生長，減少因環(huán)境變化或病蟲害侵襲而導(dǎo)致的產(chǎn)量損失。

圖3  室內(nèi)垂直農(nóng)場中各類作物性狀的優(yōu)化。

受控的環(huán)境參數(shù)、有限的空間限制和垂直布局帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，同時(shí)也為選擇性培育具有理想性狀的作物提供了機(jī)會(huì)，這些作物適合以可持續(xù)性為重點(diǎn)的室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)實(shí)踐。

正向遺傳方法首先會(huì)利用種質(zhì)資源和基因庫。這些資源包含了大量的野生和原始品種，它們具有豐富的遺傳多樣性。通過引入這些野生和原始品種的優(yōu)良性狀，可以拓寬現(xiàn)代品種的遺傳基礎(chǔ)。例如，某些野生品種可能具有很強(qiáng)的抗病蟲害能力，或者對特定環(huán)境條件有獨(dú)特的適應(yīng)性，將這些性狀引入到室內(nèi)種植作物品種中，可以提高作物在室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)環(huán)境中的適應(yīng)性和抗逆性。

在正向遺傳方法中，全基因組關(guān)聯(lián)研究是一個(gè)重要的工具。它可以分析基因組與表型之間的關(guān)系，從而確定與特定性狀相關(guān)的基因。對于室內(nèi)種植作物來說，通過GWAS可以確定與適應(yīng)室內(nèi)環(huán)境相關(guān)的性狀，如對人工光照的適應(yīng)性、對室內(nèi)溫度和濕度的適應(yīng)性等相關(guān)的基因。這些基因信息可以為后續(xù)的育種工作提供重要的依據(jù)，幫助育種者更有針對性地選擇和培育具有優(yōu)良性狀的品種。

eQTL分析也是正向遺傳方法中的一部分。它主要是分析基因表達(dá)量與表型之間的關(guān)系，以確定與特定性狀相關(guān)的基因。在室內(nèi)種植作物的育種中，通過eQTL分析可以了解基因在不同環(huán)境條件下的表達(dá)情況，以及這些表達(dá)變化與作物性狀的關(guān)系。例如，某些基因在室內(nèi)特定的溫度和濕度條件下可能會(huì)有不同的表達(dá)水平，這些表達(dá)變化可能會(huì)影響作物的生長速度、產(chǎn)量等性狀，通過eQTL分析可以找到這些關(guān)鍵基因，進(jìn)而對其進(jìn)行調(diào)控，以優(yōu)化作物的性狀。

基因組選擇是基于基因組信息來預(yù)測個(gè)體的表型值，從而選擇具有優(yōu)良特性的個(gè)體進(jìn)行繁殖。在室內(nèi)種植作物的育種中，通過對大量個(gè)體的基因組進(jìn)行分析，可以預(yù)測它們在室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)環(huán)境中的表現(xiàn)，如產(chǎn)量、抗病蟲害能力、對環(huán)境的適應(yīng)性等。然后選擇那些具有優(yōu)良表型預(yù)測值的個(gè)體進(jìn)行繁殖，經(jīng)過多代的選擇和繁殖，可以逐漸培育出具有優(yōu)良性狀的室內(nèi)種植作物品種。

速度育種是一種可以加速作物繁殖周期的方法。在正向遺傳方法中，它可以與其他工具和技術(shù)相結(jié)合，快速培育出適合室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)環(huán)境的作物品種。通過控制環(huán)境條件，如光照、溫度等，可以加快作物的生長和發(fā)育速度，使作物在更短的時(shí)間內(nèi)完成繁殖周期。這樣可以更快速地獲得具有優(yōu)良性狀的新品種，滿足室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)對作物品種的需求。

反向遺傳方法首先要根據(jù)過去的功能基因組學(xué)研究來選擇目標(biāo)基因。功能基因組學(xué)研究可以揭示基因的功能以及它們與作物性狀的關(guān)系。如果研究發(fā)現(xiàn)某個(gè)基因與作物對室內(nèi)特定光照條件的適應(yīng)性有關(guān)，那么這個(gè)基因就可以被選為目標(biāo)基因。通過這種方式，可以精準(zhǔn)地定位到那些對室內(nèi)種植作物性狀有重要影響的基因。

選定目標(biāo)基因后，會(huì)利用各種突變或沉默方法來產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因品系。CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù)可以對目標(biāo)基因進(jìn)行定點(diǎn)突變、插入或刪除操作。通過這些操作，可以改變目標(biāo)基因的表達(dá)或功能，從而使作物獲得理想的性狀。如果目標(biāo)基因是控制作物株型的，通過CRISPR-Cas9技術(shù)對其進(jìn)行編輯，可能使作物的株型更適合室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)的空間布局，提高空間利用率。

在產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因品系后，需要對這些品系進(jìn)行篩選和鑒定。這可能涉及到對作物的生長性狀、對室內(nèi)環(huán)境的適應(yīng)性、產(chǎn)量、品質(zhì)等多個(gè)方面的評估。只有那些具有理想性狀的品系才會(huì)被保留下來，進(jìn)一步用于室內(nèi)種植作物的培育。例如，篩選出在室內(nèi)光照條件下生長良好、產(chǎn)量高且品質(zhì)優(yōu)良的品系，作為室內(nèi)種植作物的優(yōu)良品種進(jìn)行推廣和種植。

圖4 通過整合各種遺傳學(xué)方法及先進(jìn)技術(shù)工具對室內(nèi)種植作物進(jìn)行遺傳育種。

在正向遺傳方法中，受控環(huán)境條件下將新一代測序技術(shù)與高通量表型分析相結(jié)合，有助于育種者通過全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）、表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)(eQTL)分析或基因組選擇來確定理想的親本系，從而培育并篩選出理想的雜交種。在反向遺傳方法中，根據(jù)以往的功能基因組學(xué)研究來選擇目標(biāo)基因，然后通過各種突變或沉默方法（如先進(jìn)的 CRISPR - Cas9 基因組編輯技術(shù)）來培育具有理想性狀的轉(zhuǎn)基因品系。RILs：重組自交系；GWAS：全基因組關(guān)聯(lián)研究；eQTL：表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)。

室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)作為一種新興的農(nóng)業(yè)模式，為解決全球人口增長和環(huán)境變化帶來的糧食安全問題提供了新的思路和途徑。然而，它在作物適應(yīng)性和品種優(yōu)化方面面臨著諸多問題，需要通過遺傳育種技術(shù)的不斷進(jìn)步來解決。遺傳育種在室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)中具有重要的地位和作用，可以培育適應(yīng)環(huán)境的品種、提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量、加速品種更新?lián)Q代。隨著傳統(tǒng)育種方法與現(xiàn)代育種技術(shù)的不斷結(jié)合和發(fā)展，相信室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)將在未來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，為全球糧食安全和可持續(xù)農(nóng)業(yè)做出貢獻(xiàn)。同時(shí)，政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)應(yīng)該加強(qiáng)合作，加大對室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)和遺傳育種的研究和開發(fā)投入，提高市場認(rèn)知度和接受度，推動(dòng)室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

原文：Teo, Z.W.N., Yu, H. Genetic breeding for indoor vertical farming[J]. npj Sustainable Agriculture, 2024, 2, 13. https://doi.org/10.1038/s44264-024-00021-5

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