摘要：马里兰大学研究团队在《美国国家科学院院刊》发表的最新研究揭示了一个可能改变全球粮食安全格局的重大发现：通过激活一个名为WUSCHEL-D1的"沉睡"基因，科学家们成功让小麦在每朵花中产生三个子房而非通常的一个，这意味着每株小麦植物能够产出三倍的谷粒。这一突破性

信息来源：https://scitechdaily.com/scientists-just-found-a-tiny-genetic-switch-that-could-feed-billions/

马里兰大学研究团队在《美国国家科学院院刊》发表的最新研究揭示了一个可能改变全球粮食安全格局的重大发现：通过激活一个名为WUSCHEL-D1的"沉睡"基因，科学家们成功让小麦在每朵花中产生三个子房而非通常的一个，这意味着每株小麦植物能够产出三倍的谷粒。这一突破性发现为解决日益严峻的全球粮食危机提供了全新的生物技术解决方案，特别是在气候变化和人口增长双重压力下，传统农业增产方式已接近极限的背景下。

研究团队通过精确的基因组分析技术，比较了罕见的三子房小麦突变体与普通面包小麦的DNA差异，最终锁定了这个关键的遗传开关。当WUSCHEL-D1基因在花朵发育早期被激活时，它能够扩大花朵组织并促使植物形成额外的雌性生殖器官。这一发现不仅揭示了植物生殖器官发育的基本机制，更为通过基因编辑技术创造高产小麦品种开辟了明确的技术路径。

该研究的意义远超学术范畴。小麦作为全球第二大粮食作物，每天为超过35亿人提供基本营养。联合国粮农组织数据显示，为满足2050年预计的97亿全球人口需求，粮食产量必须在现有基础上增加70%。然而，可耕地面积有限、水资源紧缺以及气候变化带来的极端天气事件，使得依靠扩大种植面积或增加化肥投入来提高产量的传统方式已不可持续。

从实验室发现到田间应用的转化前景

马里兰大学植物科学副教授、研究合著者维杰·蒂瓦里强调，这一发现为育种专家提供了将多子房性状引入新小麦品种的明确路径。通过现代基因编辑工具包，特别是CRISPR-Cas9技术，科学家们现在可以精确地激活目标基因，而无需引入外源DNA，这大大降低了监管审批的复杂性和公众接受度的障碍。

一个曾经沉默的小麦基因可能掌握着从每块田地种植更多谷物的秘密。图片来源：Shutterstock

目前的研究结果显示，即使是谷粒数量的适度增加也可能对全球粮食供应产生巨大影响。根据国际小麦基因组测序联盟的数据，全球小麦年产量约7.6亿吨，如果能够通过基因编辑技术实现10-20%的增产，相当于每年可额外提供7600万至1.52亿吨小麦，足以满足数亿人的基本粮食需求。

研究团队还发现，WUSCHEL-D1基因的激活机制在其他主要粮食作物中也可能存在类似的应用潜力。初步的比较基因组学分析表明，水稻、玉米等重要作物中存在功能相似的基因序列，这为开发多种高产粮食作物品种提供了理论基础。这种跨物种的应用前景使得这一发现的潜在影响范围进一步扩大。

然而，从实验室发现到实际农业应用仍面临诸多挑战。首先是技术优化问题，需要确保基因编辑的精确性和稳定性，避免意外的基因组变化。其次是农艺性状的平衡，增加子房数量可能影响谷粒大小、营养成分或植株的整体生长发育，需要通过精心的育种工作来优化这些性状的平衡。

全球粮食安全的技术革命

这一发现来得正是时候。气候变化正在对全球农业系统造成前所未有的冲击，极端高温、干旱、洪涝等极端天气事件频发，传统小麦产区的产量稳定性面临严重威胁。同时，全球人口预计将在2050年达到97亿，其中大部分增长将集中在发展中国家，这些地区对小麦等基础粮食作物的需求将急剧增加。

具有代表性的 Mov-小麦小穗 （a） 和穗 （b） 显示了 Mov-1 位点对籽粒数的影响。普通面包小麦每个小穗有一粒。图片来源：Vijay Tiwari，马里兰大学

国际农业研究磋商组织的数据显示，过去50年中，小麦单产的年增长率已从2%下降至不足1%，表明传统育种方法的增产潜力正在递减。在这种背景下，基因编辑等分子生物技术成为实现农业可持续发展的关键工具。

除了产量提升，基因编辑技术还可能帮助开发具有更强抗逆性的小麦品种。研究团队正在探索WUSCHEL-D1基因与抗旱、抗病等性状的潜在关联，希望能够同时改善小麦的产量和适应性。这种多性状改良策略对于应对气候变化挑战具有特别重要的意义。

从经济角度来看，这一技术突破也可能为全球农业经济带来深远影响。提高小麦产量不仅能够缓解粮食价格上涨压力，还能够减少对化肥、农药等农业投入品的依赖，降低农业生产的环境成本。对于发展中国家而言，高产小麦品种的推广应用有助于实现粮食自给自足，减少对粮食进口的依赖。

监管政策的完善是确保这一技术安全应用的重要保障。目前，美国、欧盟、中国等主要经济体都在制定或完善基因编辑作物的监管框架。与转基因技术不同，基因编辑通常不涉及外源基因的导入，而是对植物自身基因的精确修饰，这使得监管审批相对简化。

国际合作在推广这一技术方面发挥着关键作用。联合国可持续发展目标强调消除饥饿和实现粮食安全，而基因编辑技术为实现这一目标提供了有力工具。通过国际农业研究中心的网络，这一技术成果可以快速传播到全球各个小麦产区，特别是那些面临粮食安全挑战的发展中国家。

展望未来，WUSCHEL-D1基因的发现标志着精准农业时代的到来。通过深入理解植物基因组的功能机制，科学家们能够更加精确地设计和创造具有理想性状的作物品种。这不仅有助于解决当前的粮食安全挑战，也为应对未来可能出现的新挑战做好了技术储备。

来源：人工智能学家