《Discover Agriculture》：Harnessing genomics for sustainable food systems with orphan crops
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本刊编辑推荐：为应对全球粮食系统过度依赖少数主粮作物导致的营养单一化危机，研究人员聚焦孤儿作物（Orphan Crops）开展基因组学创新研究。通过应用高通量测序（HTS）、基因分型技术（GBS/KASP）、基因组选择（GS）及CRISPR/Cas9基因编辑等先进手段，系统解析了孤儿作物的遗传多样性、驯化历史与抗逆机制，成功培育出抗逆性强、营养强化的新品种。该研究为增强农业系统气候韧性、保障全球粮食与营养安全提供了关键技术路径。
当前全球粮食系统正面临严峻挑战——人类饮食结构呈现出惊人的单一化趋势，仅103种作物就提供了全球绝大部分热量摄入。这种狭窄的遗传基础不仅导致营养 monoculture（单一种植），更对农业生态系统的稳定性构成严重威胁。随着气候变化加剧和人口持续增长，过度依赖少数主粮作物的脆弱性日益凸显。在此背景下，一类长期被忽视的植物群体——孤儿作物（Orphan Crops）正逐渐走进科学家的视野。
孤儿作物又称 neglected and underutilized species（NUS，被忽视和未充分利用物种），指那些在特定区域具有重要经济、营养和文化价值，但全球范围内获得的研究关注与种植投入严重不足的植物物种。例如在埃塞俄比亚重要的粮食作物苔麸（Eragrostis tef）、东非和印度广泛种植的手指粟（Eleusine coracana），以及班巴拉花生、豇豆、薯蓣等作物，它们能够在干旱、极端温度、盐碱等恶劣环境中茁壮生长，展现出非凡的气候适应能力。然而由于历史原因，这些作物在育种研究、种子系统和市场开发方面长期处于边缘地位，其巨大潜力远未得到充分发挥。
近日发表于《Discover Agriculture》的研究论文《Harnessing genomics for sustainable food systems with orphan crops》系统阐述了如何通过基因组学技术解锁孤儿作物的遗传潜力。印度农业研究委员会国家植物遗传资源局的Nikhil Malhotra研究员指出，基因组学技术正在彻底改变这些被忽视物种的改良与利用方式。研究人员通过整合多种先进技术手段，为孤儿作物的快速改良提供了全新解决方案。
关键技术方法包括：利用高通量测序（HTS）技术进行基因组从头测序和注释；应用基因分型测序（GBS）和竞争性等位基因特异性PCR（KASP）技术进行大规模SNP标记开发；采用基因组选择（GS）加速育种进程；通过CRISPR/Cas基因编辑系统进行精准性状改良；结合泛基因组（Pangenome）分析挖掘种质资源中的有益基因。研究还涉及来自非洲孤儿作物联盟（AOCC）和CGIAR系统下国际研究中心（如ICRISAT、IITA）的种质资源评价。
研究人员利用高通量测序技术深入探索了孤儿作物的进化轨迹。研究表明，苔麸的唯一野生祖先是Eragrostis pilosa，而手指粟的野生祖先为Eleusine coracana subsp. africana。通过基因组分析，科学家成功重建了这些作物的传播路径：苔麸从埃塞俄比亚东北高地向南迁移至埃塞俄比亚南部，继而向东进入阿拉伯半岛南部；手指粟则通过两条路线扩散——向东经红海抵达印度，向南经肯尼亚、乌干达到达非洲南部。这些进化历史的解析为理解物种遗传多样性奠定了坚实基础，为现代育种策略提供了重要参考。
研究强调，孤儿作物的可持续发展需要健全的政策框架支持。政策制定应当明确认可孤儿作物在国家和全球粮食安全中的价值，与联合国可持续发展目标（SDGs）和"零饥饿"倡议相协调。同时，必须建立公平的种质资源交换和利益分享机制，确保传统社区的权利得到保障。特别需要注意的是，基因编辑等先进技术应用于具有深厚文化意义的作物时，必须充分考虑伦理影响，建立有效的社区参与机制。
针对孤儿作物种子系统发展滞后的问题，研究展示了基因组学技术的革新性影响。在苔麸改良案例中，Syngenta基金会通过长期投资，成功开发并推广了改良品种，七年内向农民提供了超过1227吨优质种子。手指粟育种方面，研究人员培育出具有特殊性状的品种，如富含铁的'NAROMIL 3'（有助于缓解缺铁性贫血）、高蛋白的'NAROMIL 5'和高产的'ACC 14FMB/01WK'。国际农业研究机构在此过程中发挥了关键作用，ICRISAT建立了包含12.9万份种质的基因库，IITA则拥有全球最大的豇豆（1.5万份）、薯蓣（5900份）和班巴拉花生（2000份）收集品，为基因组学研究提供了丰富材料。
| 数据生成快、准确度高，长读长技术(PacBio,ONT)适合复杂基因组 |
成本低、可扩展，无需参考基因组即可构建"模拟参考" |
手指粟、Kersting花生、草豌豆遗传多样性分析 |
孤儿作物在挑战性环境中的卓越适应性源于其独特的生理和生化特性。研究显示，通过整合基因组学、植物生理学和生物化学的多学科方法，能够深入理解这些作物的适应机制。对手指粟的研究发现了与其卓越抗旱性相关的特定基因，而对藜麦的分析则揭示了高蛋白含量和独特抗氧化剂的遗传基础。这些作物中鉴定出的基因和等位基因在导入模式植物和主粮作物后，显示出增强气候适应性的潜力，证明了其作为遗传资源的重要价值。
目前孤儿作物研究主要由发达国家和机构主导，这与这些作物对土著社区的重要性形成鲜明对比。非洲孤儿作物联盟（AOCC）计划对101种传统非洲粮食作物进行基因组测序、组装和注释，并通过非洲植物育种学院培训当地育种人员。万种植物基因组计划（10KP）和非洲生物基因组计划等倡议也为孤儿作物研究提供了重要数据支持。这些能力建设努力确保基因组学进步能够真正惠及资源匮乏地区。
研究指出，孤儿作物基因组学的未来发展应聚焦几个关键方向：扩展高质量参考基因组和泛基因组资源；加强功能基因组学研究明确基因功能；优化基因组选择和基因编辑技术在更多作物中的应用；优先研究气候适应性相关基因性状；深入分析营养成分及其遗传调控；建立长期能力建设计划并加强各方合作。这些努力将共同推动孤儿作物从边缘走向全球粮食安全战略的前沿。
孤儿作物代表着多样化全球粮食系统和增强粮食安全的关键未开发资源。基因组学提供了克服历史遗留挑战的变革性能力，从解析复杂进化历史到加速品种培育。高通量测序、先进基因分型工具与CRISPR/Cas系统等技术的结合，为系统性改良这些作物提供了科学路径。然而，基因组学研究的成功转化需要多方面支持，包括国际研究中心的桥梁作用、私营部门日益增长的参与、健全的政策框架以及持续的能力建设倡议。通过整合这些科学、机构、政策和能力建设努力，孤儿作物的全部潜力得以实现，为可持续和有韧性的粮食系统做出重要贡献。
