《Plants》：Early Plant Development as a Systems-Level Trait: Integrating Omics, Artificial Intelligence, and Emerging Biotechnologies
Abdallah S. Al-Sawa’eer,
Ali Al-Samydai,
Lama Odeh,
Fatima Haj Ahmad,
Renata Obekh,
Yousef M. Abd Elqader,
Anas Khaleel,
Ahmad M. Al-Athamneh,
Mariachiara Gabriele and
Ahmed S. A. Ali Agha
+ 3 authors
编辑推荐：
这篇综述系统性地整合了基因组编辑、微生物组辅助处理、纳米技术包衣和人工智能（AI）表型分析等领域的近期进展，将早期植物发育（种子萌发与幼苗建立）重新定义为一个可调控的系统水平性状。文章揭示了这些看似不同的技术，均通过调节有限的核心调控节点（如ABA–GA激素平衡、氧化还原稳态和根系可塑性）来优化作物的发育一致性、胁迫恢复力和产量稳定性，从而为设计气候适应性作物提供了理论基础与实践策略。
1. 引言
种子萌发、幼苗建成以及根-冠构型的空间组织等早期植物发育阶段，是决定植物表现和农业生产力的基石。这些发育过程受到内在遗传程序与外在环境信号（如温度、光照、水分、土壤成分）复杂互作的调控。种子性状（如质量、脂质组成、胚形态）直接影响萌发速度、出苗成功率和幼苗活力。同时，以脱落酸（ABA）、赤霉酸（GA）和乙烯为代表的植物激素通路，调控着休眠、储备物质动员和胚根突破。面对预计到2050年全球粮食产量需增加60%以上的需求，早期发育阶段的稳健性已成为作物改良计划的战略性目标。然而，这一关键阶段极易受到非生物胁迫（尤其是热和水分胁迫）的扰动，从而破坏萌发动态、影响幼苗形态一致性并削弱早期营养生长活力，最终损害群体建成和产量形成。整合表型选择与分子、基因组及生理指标（特别是与萌发动力学、根系发生和幼苗活力相关的指标），已成为开发适应日益增强的环境变异性的品种的关键框架。
近期，高通量表型分析、机器视觉和计算生物学的技术进步彻底改变了早期植物发育的研究。自动化的2D和3D成像平台（如磁共振成像MRI和激光扫描）使得在受控和类似田间的条件下，对根系构型（RSA）和幼苗生长动态进行非破坏性时空分析成为可能。结合RootBox和CellSeT等计算框架，这些成像数据可用于从幼苗表型模拟成熟的RSA，从而增强性状推断和早期选择方案的可扩展性。微流控技术的创新使得能够在化学和机械定义的环境下，以单种子分辨率原位监测萌发和早期幼苗发育。此外，人工智能（AI）和机器学习（ML）在植物表型数据集上的应用，促进了基因型与环境（G × E）互作的预测模型构建，实现了自动化性状提取、模式识别和数字孪生构建，用于模型物种和作物物种的发育预测。因此，本综述旨在批判性地整合早期植物发育的分子、生理和计算理解方面的最新进展，特别关注种子萌发、幼苗建成和根-冠构型动态。重点放在结合高分辨率表型分析、基于性状的选择和AI驱动建模的整合策略，以提升发育精度和胁迫恢复力。
2. 调控激素响应性萌发的关键组分
种子萌发是一个关键的发育检查点，它整合内源性激素信号和外源性环境信号，确保从休眠到自养生长的成功过渡。这一过程的调控格局主要由ABA（促进休眠和胁迫恢复力）与GA（刺激储备物质动员和生长启动）之间的拮抗作用主导。在植物发育背景下，这些组分在一个包含激素感知、信号转导、转录调控和萌发相关生理过程下游执行的层级信号框架内发挥作用。
休眠维持和胁迫诱导萌发抑制的核心在于经典的ABA信号。ABA被PYR/PYL/RCAR受体感知，从而抑制A类PP2C磷酸酶（如ABI1和ABI2），进而释放SnRK2激酶。活化的SnRK2激酶磷酸化并激活bZIP转录因子家族的AREB/ABF成员，它们是ABA诱导基因表达的主要转录调节因子。最近的磷酸化蛋白质组学和生化研究表明，SnRK2.2/2.3/2.6在保守的RQxS/T基序上磷酸化AREB/ABF转录因子，从而增强其在ABA信号传导中的DNA结合和反式激活能力。体内成像和生化工作表明，OST1/SnRK2.6在Thr451位点磷酸化ABF3，产生一个14-3-3识别位点，从而稳定ABF3并延长ABA响应性转录。最近的研究还表明，另一个在ABA介导的生长抑制和种子耐脱水性中起作用的bZIP转录因子ABI5，在ABA信号传导下被磷酸化和稳定。
相比之下，赤霉素（GA）信号促进萌发的执行阶段和早期幼苗生长。具有生物活性的GA与其可溶性受体GID1结合，形成GA–GID1复合物，该复合物与DELLA阻遏蛋白相互作用，并招募SCFSLY1/GID2E3泛素连接酶复合体，导致DELLA蛋白的泛素介导的蛋白酶体降解，从而激活GA响应性转录。DELLA抑制的解除允许细胞壁松弛和代谢基因的转录，促进胚轴伸长和胚根突破，这是种子萌发的关键步骤。在胁迫或低GA条件下，DELLA的积累抑制GA驱动的生长，并部分通过促进ABI5激活和ABA生物合成来增强ABA信号传导，从而维持种子休眠。最近的研究还表明，GA可以通过GID1–ATG8相互作用增强DELLA蛋白的自噬降解，以补充经典的泛素-蛋白酶体途径，从而在胁迫下微调生长激活。
ABA和GA在种子萌发期间的拮抗作用通过多个调控层面发挥作用。在代谢水平上，ABA生物合成基因和GA生物合成基因的转录控制精细调节了休眠和萌发之间的激素平衡。例如，高温或盐胁迫会上调NCED表达，同时抑制GA20ox和GA3ox，增加ABA水平并抑制萌发。相反，有利于萌发的信号（如褪黑素或硝酸盐）会下调NCED和ABI5，同时上调GA20ox和GA3ox，降低ABA含量并增强GA生物合成。WRKY转录因子表现出显著的调控可塑性，根据物种、组织背景和胁迫强度，它们可以充当萌发的正向或负向调节因子。翻译后调控进一步增强了早期个体发育期间的激素控制。例如，MAPK3介导的ABI5磷酸化稳定了该蛋白并促进其核定位，在渗透胁迫期间增强了ABA依赖性转录。
总之，激素响应性萌发受一个整合的调控网络控制，其中ABA–GA拮抗、转录因子可塑性、翻译后强化和ROS介导的执行过程汇聚于共享的分子效应器。这种系统水平的组织为育种、基因组编辑和基于种子的生物技术干预提供了多个着力点，旨在优化波动环境条件下的萌发时间和早期幼苗活力。
3. 用于性状增强的生物技术创新
3.1. 基于CRISPR/Cas的休眠、胁迫和根系性状调控
CRISPR/Cas基因组编辑已成为一种强大工具，可精确修饰以前通过常规育种难以微调的种子和幼苗性状。与转基因方法不同，CRISPR能够对天然基因进行靶向改变，例如敲除抑制因子或改变激素调节因子，以增强萌发、胁迫恢复力和根系发育。碱基编辑器和先导编辑器等最新创新扩展了CRISPR工具包，实现了对性状相关基因的精细等位基因替换和调控控制。
在种子萌发和早期幼苗活力方面，CRISPR/Cas介导的改进经常针对激素和氧化还原信号中枢，特别是那些涉及ABA感知、GA生物合成和氧化应激调节的中枢。最近的基因组编辑研究表明，使用CRISPR/Cas9敲除大豆中的ABA受体基因可降低ABA敏感性，并促进胁迫条件下的萌发。类似地，油菜中ABI5调节因子的CRISPR诱导突变通过调节ABA驱动的基因网络增强了干旱抗性和早期根系发育。在赤霉素途径中，对大麦中GA3ox1的靶向编辑优化了GA水平，改善了干旱胁迫下的胚芽鞘伸长和幼苗出苗，而水稻中OsGA2ox7的CRISPR敲除则通过阻止GA降解增强了盐胁迫下的萌发。此外，对氧化还原和转录调节因子（如大白菜中的HY5）进行CRISPR介导的编辑已被证明可以减轻活性氧积累并改善胁迫下的早期生长。
另一个值得注意的应用是使用CRISPR调整种子休眠持续时间和萌发时间。例如，在大麦中，两个数量性状位点Qsd1和Qsd2控制籽粒休眠——这是防止穗发芽和实现均匀麦芽生产和萌发之间的关键平衡。研究人员创建了Qsd1和Qsd2的CRISPR/Cas9敲除体来分析它们的作用。萌发测定显示，任一基因的突变都会延迟种子萌发，而双突变体表现出显著增强的休眠，积累的ABA水平高于野生型。有趣的是，如果Qsd1也发生突变，qsd2突变体的延长休眠会部分被抑制，表明存在上位性相互作用。这些结果表明，大麦正常、快速的萌发需要这两个基因，并且结合功能缺失等位基因可以“调谐”休眠期。这些见解对于设计谷物品种非常宝贵。通过编辑休眠基因，育种者可以实现最佳的穗发芽抗性，同时不牺牲萌发均匀性。
早期植物发育常常受到非生物胁迫（干旱、盐分、高温）的限制。CRISPR正在通过消除敏感性因子和激活潜在的耐受性来加速胁迫恢复基因型的开发。一个明显的例子是大豆，其中通过CRISPR/Cas9敲除了ABA信号抑制因子基因GmARM。与野生型植物相比，编辑后的大豆表现出对多种胁迫（包括碱盐胁迫甚至对根腐病原体）的耐受性提高。这表明GmARM通常限制胁迫响应，其破坏使植物能够建立更强的防御。在玉米中，CRISPR被用于研究胁迫诱导基因ZmPL1。有趣的是，ZmPL1功能缺失的CRISPR诱导玉米品系在干旱条件下优于对照：它们表现出更高的种子萌发和幼苗存活率、更低的氧化损伤以及更高的抗氧化酶活性。编辑后的植物还上调了各种干旱响应基因，表明处于一种预先准备的胁迫防御状态。这些发现揭示了ZmPL1是玉米中干旱耐受性的负调节因子，因此其缺失赋予了强大的抗性。其他靶点，如水稻中的OsbHLH024和OsPIN9，分别通过重编程转录网络和维持ROS稳态，赋予了耐盐和耐寒性。水稻和小麦中NAC转录因子的敲除提高了盐分和干旱条件下的萌发效率和早期根系活力。
总之，这些发现表明，调控基因的CRISPR介导编辑经常产生网络水平的表型效应，因为许多靶向位点在调控早期植物生长的相互关联的激素、氧化还原和发育途径中发挥作用。由于这些途径在早期个体发育过程中本质上是整合的，因此针对这些网络组分的编辑可以汇聚在共享的调控中枢，在那里ABA–GA拮抗、ROS反馈和生长素信号相互作用，以协调萌发、胁迫响应和根系发育。这个互连框架如图2所示，它描绘了靶向基因组编辑如何汇聚在协调这些过程以增强幼苗活力和产量的中心ABA–GA–ROS–生长素整合中枢。
另一个前沿是使用CRISPR重新设计根系性状，以改善幼苗建成和资源获取。根系决定了幼苗获取水分和养分的能力，尤其是在胁迫下，因此根系深度、分枝和向地性角度等结构性状是改良的主要目标。基因组编辑已经证明，我们确实可以突破根系性状的自然极限。例如，在小麦中，研究人员编辑了一个被认为影响根系构型的基因TaRPK1。与未编辑的植物相比，TaRPK1编辑的小麦显示出根系构型的显著变化：根更深更长，根体积和表面积更大，但侧根数量减少，根角更浅。这些RSA变化产生了积极的连锁效应——编辑品系产生了更多的分蘖，并实现了比野生型更高的单株总粒重。同样，改良Ospmei12（一个参与细胞壁生物合成的基因）改善了根系结构，并赋予了对重金属胁迫和激素失衡的耐受性。这一结果验证了长期以来的假设，即在田间条件下，更深的根系可以提高产量。同样，水稻中控制根向地性角度的DRO1等基因靶点，以及谷物中的EGT1/EGT2等增强向地性基因，已被强调为有希望的编辑候选基因。
重要的是，调控节点编辑的转化相关性已经超越了受控实验系统，走向了监管批准和商业种植。例如，通过靶向基因组编辑产生的高油酸大豆品种（通过小核苷酸缺失破坏内源性脂肪酸去饱和酶基因FAD2和FAD3）被美国农业部确定不属于其“我是否受监管？”框架下的监管权限，从而加速了其进入市场并在美国农业供应链中实现商业化，代表了最早大规模部署的基因编辑商品作物之一。同样，通过CRISPR/Cas9介导的内源性谷氨酸脱羧酶基因SlGAD2和SlGAD3自抑制C端结构域的破坏，使得番茄果实中γ-氨基丁酸（GABA）大量积累，为功能性性状增强建立了一种精确的代谢途径工程策略。在此基础上，日本实施了针对基因组编辑作物的基于产品的监管通知系统，其中通过靶向基因组编辑开发的高GABA番茄在没有转基因整合的情况下获得了通知并随后商业化，代表了最早获得市场授权的源自内源性途径调控的基因组编辑食品之一。
3.2. 微生物组辅助的萌发与根-土互作工程
种子并非无菌容器；它们携带着复杂的微生物群落（种子微生物组），可以深刻影响萌发和早期生长。最近的研究阐明了种子与其微生物组在促进植物活力、胁迫耐受性和土壤适应方面的关键共生关系。这催生了新一代策略，即利用有益微生物（无论是自然相关还是引入的）来增强种子性能。通过设计植物微生物组，科学家们旨在通过生物学手段而非植物本身的遗传改造来改善萌发率、幼苗建成和根系发育等性状。
种子在其组织内部和表面携带有内生细菌和真菌，这些微生物通常通过种子从亲本植物垂直传递。萌发后，许多这些种子携带的微生物成为幼苗根系微生物组的先驱，甚至在定殖根际方面超过土著土壤微生物。例如，最近一项对小麦的研究使用高分辨率测序跟踪微生物组组装，发现种子携带的细菌在根际群落中占主导地位，竞争力超过土壤来源的微生物。这些种子来源的微生物在利用特定种子/根系分泌物（糖类等）和互利互作（如交叉喂养）的基因方面富集，使它们在幼根区具有竞争优势。本质上，种子预先包装了优化用于启动幼苗生长的微生物——它们可以消化种子分泌物，甚至互相帮助生长。这一发现改变了我们对早期植物建成的理解：根系不仅仅是简单地从土壤中招募微生物，种子自身的微生物群显著塑造了最初的根际。这些知识为操控种子微生物组以支持萌发和抑制有害微生物打开了大门。
有益种子相关微生物通过酶学和信号机制影响ABA–GA平衡，重塑胚胎周围的激素环境。例如，在花生中，巨大芽孢杆菌PH3的定殖通过上调ABA分解代谢基因和刺激GA生物合成，共同加速了盐胁迫下的萌发。类似地，真菌内生菌Marquandomyces marquandii通过增加GA和IAA含量、降低ABA水平以及上调胁迫抗性基因网络，提高了大白菜种子的萌发率。
在生化水平上，内生和根际微生物通常表达ABA降解或GA模拟酶，例如CYP707A样加氧酶或GA20-氧化酶类似物，从而将ABA:GA比率转向利于萌发。同时，许多这些微生物分泌色氨酸衍生的生长素或ACC脱氨酶，减轻乙烯抑制并促进胚胎细胞膨胀。微生物对氧化还原稳态的调控构成了一个平行的控制层。有益微生物通过激活抗氧化酶来启动活性氧（ROS）系统，将ROS浓度维持在允许萌发的“氧化窗口”内。受控的ROS脉冲激活NADPH氧化酶，其作为质外体信号放大器，将环境信号与激素途径联系起来。这些氧化还原爆发通过氧化还原敏感地调控ABI5和DOG1来促进GA合成并减弱ABA信号传导，在休眠解除期间整合氧化和激素控制。同时，微生物相关分子模式激活模式识别受体，触发低振幅MAPK3/6级联，与激素途径相交。这种温和的免疫启动调节生长-防御串扰中枢，特别是DELLA和BZR1，它们整合了赤霉素和油菜素内酯信号与免疫输出。通过这种相互作用，有益微生物启动一种“受控防御准备”状态，在不招致生长惩罚的情况下促进活力。
有益种子相关微生物通过酶学和信号活动影响ABA–GA平衡，重塑氧化动力学，并通过模式识别受体微调免疫串扰。通过这些协调效应，微生物伙伴建立了一个调控界面，将激素、氧化还原和防御途径耦合起来，以促进萌发和胁迫恢复力。这种整合机制总结如图3，该图描绘了种子携带和根际微生物如何影响ABA–GA–ROS–MAMP信号传导，以及这些过程如何转化为用于作物建成的实用微生物组工程策略。
已鉴定出多种可增强种子萌发和幼苗发育的微生物类群。许多植物根际促生菌或真菌产生植物激素、调动养分或保护植物免受病原体侵害。各种作物中的种子内生菌已知可以固定氮、溶解磷、合成生长素和其他生长激素，并产生抗菌化合物，从而促进早期植物生长和健康。一个显著的例子来自对黄芪种子的研究，其中研究人员比较了已萌发与未萌发种子的微生物组。已萌发的种子拥有远更多样化和富含益生菌的微生物群落，而未萌发的种子则以镰刀菌（一种病原真菌）为主。宏基因组分析显示，已萌发种子中的微生物组携带更多用于病原体抑制和纤维素降解的基因，这些功能被认为有助于萌发过程。通过后续接种实验，研究人员证实，引入某些细菌可以抑制镰刀菌病原体并产生纤维素酶，从而显著提高种子萌发率和幼苗活力。这表明了一种因果关系：健康的种子微生物组可以主动抵御种子传播的病原体，并通过纤维素分解帮助打破物理休眠，从而导致更成功的萌发。
为了增强种子萌发和早期发育，科学家们正在通过有益微生物（如固氮螺菌、假单胞菌）的生物包衣、选育有利种子内生菌以及引入合成或天然微生物群落等方法来设计种子和根系微生物组。这些策略旨在在复杂土壤中建立稳定、有益的微生物组。此外，操控根系分泌物以吸引有利微生物，或使用含有益生元和信号分子的种子包衣，支持了植物全息生物概念——将植物及其微生物组视为一个系统。重要的是，微生物组介导的效应在早期萌发和幼苗建成窗口期最为明显，此时激素、氧化还原和免疫阈值具有高度可塑性。这些微生物组辅助的创新增强了幼苗活力、胁迫耐受性，并减少了对化学投入的依赖，标志着向生物整合农业的转变。
来自严格设计的多地点、多季节田间试验的证据支持了微生物组辅助策略在作物建成和生产力方面的转化潜力。在巴西南部不同的农业生态区，接种巴西固氮螺菌在玉米和小麦中均导致了统计上显著且可重复的增产。谷物产量提高范围约为玉米16-30%，小麦9-18%，且选定菌株在不同地点和生长季节表现一致。重要的是，这些增益是在低起始氮输入下实现的，主要归因于根系发育增强和多种宏量和微量营养素吸收增加，而不是直接的生物固氮，从而证明，在现实世界栽培条件下，有针对性地选择植物促生长细菌菌株可以将机理性的植物-微生物相互作用转化为农学上有意义的结果。
3.3. 纳米技术赋能的种子包衣用于增强萌发和胁迫耐受性
纳米包衣代表了种子技术中的一种前沿方法，利用工程化纳米粒子来改善萌发率、幼苗活力和对非生物及生物胁迫的恢复力。与传统包衣（主要涉及水合）不同，纳米包衣利用纳米级尺寸、高表面积和反应活性在细胞和分子水平上调节种子生理。从机制上讲，纳米包衣通过在种皮上创造纳米孔来增强水分吸胀，并通过低水平活性氧（ROS）的产生诱导受控的氧化包衣。这些效应刺激抗氧化防御、激活萌发酶并上调水通道蛋白，从而加速和同步萌发。一些纳米颗粒，如硒纳米颗粒，可渗透种子细胞并定位于质体附近，调节促进早期幼苗发育的激素和代谢途径。
许多案例研究证明了各种纳米颗粒在增强干旱耐受性、营养状况、生物量积累和抗病性方面的功效。例如，Fe3O4纳米颗粒改善了豌豆的干旱恢复力，而CaO纳米颗粒增强了油菜的萌发和幼苗活力。SeNPs在水稻和番茄中既赋予生长效益又具有抗真菌效益，例如，对致病疫霉的保护率约为72.9%，并增加了叶绿素含量。类似地，硒负载的介孔二氧化硅改善了番茄萌发，并表现出对灰葡萄孢的抗真菌活性。应用于豌豆种子的AgNPs将真菌感染减少了70-90%以上，且不影响萌发。基于这些成功，研究人员正在开发智能种子包衣，将纳米颗粒整合以在吸胀时响应性释放。结合纳米包衣与生物包衣的混合策略（例如，用粘土或聚合物基纳米载体封装有益微生物）也正在探索中，以协同微生物定殖与纳米颗粒诱导的增强效应。此外，碳基纳米材料如石墨烯量子点正在研究中，以探讨其递送萌发刺激分子和调节发育信号通路的潜力。
在系统水平上，许多纳米包衣诱导的反应汇聚于相同的ABA–GA–ROS调控节点，这些节点控制着休眠解除和早期幼苗生长。纳米颗粒主要作为内源性信号阈值的调节剂，使种子对有利的萌发信号敏感，同时在早期个体发育过程中加强胁迫适应缓冲。纳米包衣作为一种短暂的发育重编程事件，调节控制休眠解除和早期幼苗活力的相同激素和氧化还原节点。这些机制总结在图4中，该图说明了纳米颗粒如何影响水分吸收、氧化和激素信号传导，以及这些过程如何转化为实用的纳米包衣系统。如图所示，初始的纳米颗粒-种子相互作用在狭窄的“氧化窗口”内触发受控的ROS生成和ABA–GA再平衡，产生一种短暂但高效的包衣状态，从而增强萌发和胁迫准备状态。
剂量优化在纳米包衣应用中至关重要，因为过量的纳米颗粒浓度会引起植物毒性、氧化应激和萌发受损。重要的是，纳米包衣主要作为种子吸胀和早期代谢激活期间的短暂预适应刺激，而不是在整个植物发育过程中持续暴露于纳米材料，这将其与叶面或土壤基纳米材料应用区分开来。几种作物，包括大麦、甜叶菊和油菜，表现出阈值依赖性反应，其中低纳米颗粒剂量增强生理性能，而较高浓度会导致细胞损伤。例如，约28 ppm的硒纳米颗粒促进了油菜发育，但更高剂量是有害的。虽然许多用于纳米包衣的纳米颗粒（如二氧化硅和氧化铁）是可生物降解的或自然存在于土壤中，但其纳米级生物利用度和长期生态效应值得进一步研究。总体而言，纳米包衣提供了一个有前
