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【育种MBA】0003 植物快速育种及其对人类睡眠健康的启示

2021-11-25

　


本期导读

  • 植物快速育种与植物自杀性适应

  • 控制环境下的植物生长发育和生殖转换

  • 动物和人类：熬夜等同于植物长光照、等同于自杀

  • 缩短光照（充足睡眠），修复好自己断裂的DNA


      植物育种一般是在正常的自然条件下经离一代一代的人工选择来实现的。大多数植物生长发育的每一个世代都要经历从种子萌发到开花结实的完整生长周期。每一个世代（生长周期）所花费的时间越长，完成一轮育种所需要的总时间也就越长。大多数植物的常规育种少则需要七八代多则需要十代以上。如果每年植物只能完成一个世代，常规育种就需要至少8-10年的时间。近年来，植物科学家发展了加快植物生长发育、促进植物快速纯合的一系列快速育种方法，使育种周期大大缩短。本文将讨论通过控制环境来加快植物生长发育，特别是延长植物光照时间的快速育种方法，并结合睡眠在人类DNA断裂和修复过程中的重要性，说明睡眠对人类健康的重要影响，以期引起大家对生命和健康的关注。

 

植物快速育种与植物自杀性适应

 

      为了加快育种进程，植物育种家总是想法设法让植物在一年内完成多个世代。比如通过利用海南冬季的光热资源让植物北方收获后再完成一代的生长发育。这种海南繁殖加代大大加快了育种进程，缩短了完成一个育种周期所需要的时间。但是这种南繁加代所能提供的加速进程依然非常有限。近年来提出了通过控制植物生长发育期间的光照和温度等环境条件来促进植物的快速繁殖从而加快育种进程—简称快速育种（speeding breeding，图１）。这种快速育种，最重要的一条就是极大地延长植物所能接受的光照时间，将每天的光照时间从每天的自然光照长度增加到22小时，只留下每天2小时的黑暗时间。这相当于让植物每天的绝大部分时间处于光照（工作）的状态，而只留下2小时的休息时间。这一点非常类似于人类整天工作、极端缺乏睡眠的熬夜状态。

      植物有一个特定点，在长光照下一般会加快营养生长并很快进入生殖生长，同时在各种环境胁迫下都会尽快完成生殖生长以便留下后代进行传宗接代。因此超长光照（熬夜，不休息的胁迫下），植物很快进入生殖生长，开花结实， 完成世代周期。尽管在这种光照胁迫下植物的生长受限，单株结实减少，但数量足以用来完成育种过程中所需的加代和基本选择。通过使用优化后的LED灯每天提供22小时光照，辅助了光合作用的完成。通过这种快速育种程序，成功实现在一年内繁育6代普通小麦、硬质小麦、大麦、豌豆和鹰嘴豆以及4代油菜。这样的加速繁殖，以缩短植物的寿命（自杀性适应）为代价，大大加快了育种速度（图１）。

 

控制环境下的植物生长发育和生殖转换

 

      除了最重要的光照和温度条件外，植物生长发育还受到植物内部的遗传因素以及外部的环境因素的影响，包括所有气候、土壤等环境因子。其中一些因素影响植物的生长速度以及从营养生长向生殖生长的转换。因此在遗传上修饰和改变影响植物生长发育的遗传因子，在环境上采用植物生长发育速度和生殖转换最佳的环境因素，就可能最大限度地控制植物的生长发育进程。因此，每种植物，每种植物的不同品种，都可以设计出一套满足特定植物或品种快速生长发育的遗传和环境系统，并开发出实现这些遗传和环境改变的成套的分子检测和环境控制系统。

 

 

      虽然简单的环境控制可以满足植物的基本的生长发育条件，但与自然环境下的植物相比，我们看到生长在温室、人工气候室、培养箱等的植物，通常生长不太正常，或生长瘦弱，或颜色不健康，很多无法正常结实或结实很少。因此，采用人工控制环境加快植物的生长发育，除了调控影响发育速度和生殖转换的因素外，需要模拟产生与自然条件尽可能接近的全部外界环境，以满足植物的正常生长。我们在参观考察中，的确看到了一些人工控制的生长环境，获得了与田间正常自然条件下完全相同的植物生长发育（图２）。在影响植物生长发育的外界环境因素中，经常被忽视而导致植物生长异常的重要因素是光照和空气，尤其是后者中的二氧化碳浓度。在各种因素得到严格控制大的密闭环境中，空气的组成及其浓度可能严重偏离自然环境。

      另一方面，快速生长发育与植物矮化育种为大田作物工厂化栽培提供了可能性。中国农业科学院都市农业研究所植物工厂创新团队与中国水稻研究所钱前团队合作，在植物工厂环境下成功实现水稻种植60天左右收获，将传统大田环境下120天以上的水稻生长周期缩短了一半：植物工厂水稻60天收获！“快速育种”实现重要突破（人民网 2021年8月23日https://mp.weixin.qq.com/s/6dQSa0h0kXKUffV8IWtwnA）。

 

      用于工厂化栽培的水稻品种，其株型较矮，空间利用率高，适合在植物工厂环境下进行多层立体栽培。定制的LED光源为水稻不同生育期提供了最佳的光环境。同时，植物工厂内部的环境要素，如光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等都得到精准调控，为各生育阶段提供最佳生长环境。

 

动物和人类：熬夜等同于植物长光照、等同于自杀

 

      在涉及快速育种的报告和科技讲座中，我们会结合植物在长时间光照下加速生长和死亡的事实，告诫朋友们在现实生活中要努力协调好自己的工作和睡眠。以牺牲睡眠时间为代价的娱乐、游戏、夜班，将像长光照下的植物一样，极大地损害自己的健康，同时大大缩短自己的寿命，无异于自杀。希望我们善意的惊醒能够引起朋友们的认真思考：为什么很多知名人物的英年早逝都与超负荷工作特别是严重缺乏睡眠有关？

 

   近日阅读到“环球科学Scientific American”公众号一篇关于DNA断裂、修复与睡眠的文章：“你的DNA时刻都在断裂，只有睡够了才能修复它”（撰文 | clefable；审校 | 李诗源）https://mp.weixin.qq.com/s/SRiWNj52YTWle0JsGvC9zw。这篇科普文章，文笔流畅、通俗易懂，值得每个人认真阅读，这也是为什么我们会花时间来比较植物的长光照和人类的睡眠不足所导致的危害。这里只是对该文进行简单编辑和改写，需要了解详细内容的朋友请阅读以上链接提供的论文及其后面的参考文献。

 

 

      人类的基因和遗传控制因素根植于DNA分子的长链之中。在面对更需要脑力的学习、记忆任务或者突发情况时，大脑中的神经元就需要更快地表达某些基因。为了适应这些变化，细胞需要在冗长的DNA链上逐个找到需要表达的基因难度比较高，更有效的办法就是将DNA双链直接断开，让这些基因优先表达，同时在断裂位点做好标记，以便随后进行修复（图３）。

      DNA双链断裂是最具细胞毒性的一种DNA损伤，通常发生在癌症、神经退化和衰老等过程中。DNA双链断裂后的修复过程十分复杂，需要激活多条信号通路、募集多种酶和蛋白复合体。细胞在白天工作时，需要将更多的资源用在其他生命活动上，没有时间进行这种修复。因而修复工作只能拖到晚上。随着神经元DNA损伤累积，睡眠压力会逐渐增加。在睡眠中，这种压力水平会逐渐下降、重新回到低谷，让我们醒来时感觉全身放松，充满活力。

 

缩短光照（充足睡眠），修复好自己断裂的DNA

 

      有关斑马鱼的研究表明，经过一天的活动，单个神经元中DNA双链断裂位点的数量会加倍。在正常休息10小时后，断裂位点数才会降到较低的水平。如果只休息2个小时或者4个小时，斑马鱼DNA上的断裂位点数只会略微降低。在这种睡眠被剥夺的情况下，不仅DNA的损伤会增加，DNA损伤也会无法修复，导致DNA结构的溃败越来越严重。人和斑马鱼一样，每天都处在清醒和睡眠的轮回循环中，白天神经元的DNA损伤增加，留下标记，导致睡眠压力增加。晚上，染色体活动增加，修复蛋白募集，DNA得以修复（图4）。咖啡因能够抑制DNA修复从而暂时增强神经活动，让我们更有精力，但后期或许需要更多的睡眠来补偿。对于哺乳动物来说，影响DNA损伤和修复的检测因子还能影响人的生物钟和记忆。在睡眠时，染色体的活动不仅能促进DNA的修复，也和神经元的可塑性、记忆的形成密切相关。充足的睡眠能帮助我们记忆，身体也更健康。

 

      “可以说，我们每一次思考、行动和激动等，可能都在让我们的DNA冒险，让自己面临衰老和疾病的威胁。但随之而来的一场安逸、平静的睡眠，能让裂开的DNA重新拼接，将我们拯救回来。这些过程周而复始，而我们只感觉到自己在慢慢长大、变老。” “环球科学”公众号的文章如是说。

 

      欢迎对分子育种及本文内容感兴趣的朋友关注北京大学现代农业研究院分子育种研修班（MBA）。2021 MBA第二轮通知继续有效 (研修班因为疫情延期举行，但继续接受学员报名和赞助；开班时间将另行通知)：

 

      https://mp.weixin.qq.com/s/nabiE81GqLXG3_lztgXTGQ