【前沿】重磅综述！未来养活100亿人的农业育种技术是……- 大数跨境

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【前沿】重磅综述！未来养活100亿人的农业育种技术是……

山东农业科技智库

2020-10-10

导读：全文翻译，值得收藏！

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Nature Biotechnology杂志发表了来自澳大利亚昆士兰大学的植物遗传学家Lee Hickey题为“Breeding crops to feed 10 billion”的综述文章，该文章综述了如果需要养活100亿人，那么需要哪些农业育种技术。以下是文章的全文翻译如下：

作物的改良可以帮助我们应对为100亿人口提供粮食的挑战，问题在于，我们能否以足够快的速度培育出更好的品种？基因分型、标记辅助筛选、高通量表型分析、基因编辑，基因组选择、从头驯化……这些技术都可以结合快速育种技术，让植物育种家们能够跟上环境变化和人口增长的步伐。

未来30年，预计全球人口将达到100亿。到目前为止，常规育种方法已经为我们带来了高产的、营养丰富且适宜于机械收获的作物，来满足不断增长的人口对于食物的需求。但是，目前包括小麦、水稻和玉米在内的主要作物的产量增加速度还不足以满足未来的需求。育种家和植物科学家承受着改良现有作物和开发新作物的压力，未来的作物必须更高产、更有营养、抗病抗虫并且智能适应气候变化。

不同于12000多年前第一批粮食作物被驯化的时代，今天的植物育种家拥有大量的创新技术可用于作物改良（图1和补充表1）。例如，自动化高通量表型分析系统的发展已经实现了对较大群体的快速评估，增加了选择强度并提高了选择准确性。第二代和第三代的测序平台出现意味着育种家们可以较低成本使用DNA分子标记来辅助筛选并加速基因挖掘、性状解析和预测育种技术。植物育种的关键限制因素之一是作物生长周期长，通常每年只产生一代或两代，这一难题已经通过使用“快速育种”方案得以部分解决，这种方案采用延长的光周期并控制温度，将春小麦、大麦、鹰嘴豆和油菜的传代时间缩短一半以上。最先进的技术与快速育种相结合，将为应对养育100亿人口挑战的努力夯实基础。

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快速育种的发展

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大约150年前，植物学家首次证明，植物可以生长在碳弧灯的人造光下生长。不久之后，连续光对植物生长的影响也有了评估结果。Arthur和他的同事们报道称，在恒定光照下，近100种植物中的绝大多数开花更快，包括蔬菜、谷物、杂草、草药和花园观赏植物。在20世纪80年代中期，美国宇航局（NASA）与犹他州立大学合作，探索在空间站的恒定光照下种植快速生长小麦的可能性。这一共同努力促成了“USU-Apogee”的诞生，一种可用于快速生长的矮壮小麦育种系。与此同时，1993年俄罗斯科学家提出测试“太空镜”，将黑夜变为白昼，从理论上提高地球上的农业生产力。1990年，Wisconsin大学对发光二极管（LED）用于植物生长的效果进行了评估，LED技术的不断改进大幅降低了可提高作物生产力的室内植物繁育系统的成本。

受美国宇航局工作的启发，昆士兰大学的研究人员在2003年创造出“快速育种”，意指一套用于加快小麦育种的改进方法。现在多种作物都有了可用的快速育种方案。不同于单倍体加倍技术，快速育种适合多样化的种质，并且不需要专门的实验室来进行体外培养（单倍体加倍技术是产生单倍体胚胎，然后使染色体加倍，以产生完全纯合的品系）。

该技术使用最佳的光质、光强、光照时长和温度控制来加速光合作用和开花，以及更早收获种子，从而缩短了传代时间。对于需要特定环境因素（如春化或短日照）才能诱导开花的物种，有特殊定制的方案可用。当这些技术应用于可以高密度种植（例如，1000株/平方米）的小型谷物作物时，与开发大量自交系作物相关的空间和成本都可以降低。“种子切削”技术和单株植物追踪条形码的组合可以促进高通量分子标记辅助筛选。为加快植物研究进展，可在快速育种系统中进行诸如杂交、种群绘图和成熟植物的特定性状分型等活动。此外，快速育种可以加速性状的回交和聚合，以及转基因研发产线。

精心的策划可用于创建DNA分子标记测试、快速育种和田间表现评估的研发线。第一个使用快速育种开发的春小麦品种“DS Faraday”于2017年在澳大利亚发布。在这个产品中，快速育种被用于在作物成熟时加速籽粒中抑制发芽的休眠基因的转育，以产生对采前发芽的耐受性提高的高蛋白质的面粉小麦。

对于那些没有途径使用大型设施的研究人员，可以设置低成本的小型快速育种单元。快速育种可以还加速了地方品种和作物的野生近缘种中等位基因多样性的发现和使用。例如，使用快速育种配合与已知基因相关的DNA分子标记筛选Vavilov小麦采集抗叶锈病，促成发现了新的抗病来源。

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更快、更好的表型分析

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表型分析是指对植物生长、发育和生理学的任何方面进行的测量。表型特征源于基因型与环境之间的相互作用，包括光合作用系统的荧光特性、生长速度、抗病性、非生物胁迫耐受性、总体形态、物候学等，并最终表现为产量构成因素。可靠的表型分析是植物育种的核心，因为它是为开发新品种而进行品系筛选的主要依据。因此，表型分析方法的改进必须综合考量准确性、速度和成本之间的平衡。虽然 “育种家的眼睛” 可能永远都不会被完全替代，工程学却让育种家看到更多，并为基于表型的筛选提供更好的信息。创新是多方面的，包括在可见光中有多达数百个光谱带和长波谱、用于植物成像的机器人设备（使用传送器、地面移动车辆和无人机）。它通过计算机可视化和机器学习处理图像和提取有价值的信息（特征），实现了对植物生长和功能的非破坏性监控。通过使用高度互连的环境监测系统，我们关于植物对环境响应的理解可以进一步增强并实现自动化（https://www.miappe.org）。这些技术组合在一起，为增加表型分析的准确性和降低其成本提供了令人振奋的机遇。这类平台的早期例子是在可控环境中应用的Plant Accelerator（https://www.plantphenomics.org.au），目前它在解决需要控制环境变化的问题时仍然具有重要作用。更便宜的现场操作平台正在变得越来越强大且实用，特别是能够携带大量有效载荷并保证足够飞行时间的无人机的应用越来越广泛。应用这种新一代表型分析的主要挑战仍然是数据处理和图像加工。计算机科学家的持续贡献对于维护表型分析的高速发展至关重要。加上基因组学的快速进步，更好的表型分析工具正在引领加速育种的时代。

育种家们通过天然存在的或实验室控制群体结构来理解表型-基因型之间的关联性，表型分析也随之发展。例如，利用此类方法已成功绘制出影响复杂表型的遗传区域图谱，例如水稻的产量构成因素和高粱的植株高度。这些技术与基因组辅助育种方法组合使用，可以更快速地改良作物品系。

田间种植作物表型分析的创新只能与快速育种相结合，以便选出在目标环境和快速育种条件（如长日照时间和人工光谱）之间均保持稳定的性状。耐受某些害虫和疾病的抗性表型分析也可以整合到快速育种研发线中，以进行单一性状的表型分析，如一些结构特征和在次优条件（例如，在凉爽的日子或温暖的夜晚）下维持营养生长的能力，其可能有助于植物对特定非生物胁迫的应答。快速育种设施与自动化高通量表型分析平台的整合将进一步加速功能基因座和基因的发现，并且有助于对植物生长和发育有影响的特定基因进行特征分析。

随着低成本计算机和其他硬件的出现，表型分析平台正变得便宜且易于获取。虽然在受控环境中进行表型分析有优势，但是对于简单的抗病性状，表型分析最好能够在多个田间测试中进行确认。对于抗旱和高产之类的更复杂性状，表型分析必须在目标环境中的田间条件下进行。

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作物改良的快速编辑

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对于基因编辑和转基因性状而言，可以通过将这些工具纳入快速育种研发线而更快地实现其优势。许多第一代基因编辑应用都仅仅依赖于一种或两种非优良基因型，它们的优点在于容易进行植物组织培养和转化后再生。最近开发的技术甚至可以也为优良品系提供高的转化效率。实施基因编辑仍然需要耗费时间的组织培养过程，以及适合进行Cas9基因和单指导RNA（sgRNA）序列遗传操作的具有一定程度物理控制的专业实验室。然而，将基因编辑直接纳入快速育种的系统，如ExpressEdit，有可能绕过植物材料体外操作的技术瓶颈。虽然并未常规操作，但如下所述已经采取了许多朝向基因编辑快速跟踪发展的举措。在CRISPR基因编辑中，sgRNA指导Cas9酶定位到靶标DNA位点上，Cas9在该位点切割DNA。可以产生含有异源Cas9基因的“CRISPRready”基因型。例如，含有Cas9转基因的转化植物可以作为供体，利用高速分子标记辅助回交转育来创造一系列的优良自交系。如下所述，为达成靶向基因组编辑，有不同的递送sgRNA的不同方式。然而，这种技术仍将产生需要接受监管的转基因植物，并且将需要提供转基因、Cas9以及大多数情况下的选择标记基因的被编辑基因座在随后的分离情况。基因组编辑与无需组织培养的快速育种的整合需要一些技术上的突破，其最佳结果是进行等位基因修饰而不需要组织培养或应用外源DNA，因为这样的结果可以避免被贴上转基因生物的标签。单个或多重编辑已被广泛证实能够实现这一期望，而现在，可以使用以下无组织培养技术来实现。

例如，可以使用CRISPR-Cas9核糖核蛋白复合物完成基因组编辑。这种技术已经可以在一些物种中应用，包括小麦、玉米和马铃薯。未成熟的胚胎或原生质体已成功地被用作靶标组织，理想情况下，这种方法将被优化，以用于成熟种子或发芽幼苗。表型分析可以在其后代中进行，并允许性状叠加。或者，可以设计粘土纳米片来递送Cas9蛋白和sgRNA。粘土纳米片可用于将RNA干扰（RNAi）构建体递送到植物中，赋予其对病毒的抗性。RNAi效应可在植物中持续存在几周时间并移动到整个植株。Cas9和sgRNA组分的递送也可以通过使用病毒载体，如双粒病毒，或利用成熟种子的茎尖分生组织进行植物内粒子轰击，或通过无需愈伤组织培养的DNA生物弹方式将编辑工具导入细胞中——例如，小麦。该类技术可用于递送预装配的Cas9-sgRNA核糖核蛋白进入植物茎尖分生组织以产生基因编辑或将其引入花粉和花序组织中。

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快速基因组选择

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分子标记辅助筛选，其中少数基因或性状可以使用相关DNA标记进行跟踪，已经成功适用于几乎所有的作物育种计划中那些基因突变后有明显效果的性状。相比之下，基因组选择使用全基因组范围的DNA标记，以预测育种个体在复杂性状中的遗传优势。这项技术的发展有助于在大量基因和/或调控元件的背景下，了解复杂性状（如产量）究竟是受到哪些变量的综合影响，通常这些变量中的每一种都会产生微小的效应。通过全基因组范围的DNA标记（例如，单核苷酸多态性）的连锁不平衡捕获这些变量的效应，并估计这些标记在大的参照或训练群体（由含有测量的标记基因型和性状的品系或个体组成的群体）中的效应。一旦完成了标记效应的估算，即可对育种的候选品系进行基因分型。随后，为评估育种所用的各个候选品系的价值，对其基因组育种价值（GEBV）进行估算，GEBV为其携带所有标记等位基因的标记效应总和。然后可以选择排名最高的GEBV的品系用于培育下一代。基因组选择与传统育种方法相比的一个优势是可以在产品开发早期选择出优良品种作为父母本（图4），并且可以在之前传统育种方法完成单个育种周期所用相同的时间内完成基于GEBV的多轮育种周期。骊于通常在品种研发线后期（评估阶段）才进行测量的性状（例如产量）来说，基因组选择的最大潜力在于节省时间和资源。

基因组选择正在私营部门中被大规模用于作物育种计划，比如玉米育种。Cooper等人和Gaffney等人描述了通过基因组选择对耐旱玉米杂交种进行工业级规模评估的影响。那些品种（“AQUAmax”杂交种）现在已被农民大规模地种植在农田里。对农场生产数据进行的广泛评估结果表明，AQUAmax玉米杂交种在美国正常种植用水和干旱胁迫条件下，产量均有显著提高，在水资源受限的情况下提高产量稳定性，减轻农民承担的风险。

为了获得更大的收益，可以使用基因组选择对多个性状同时进行靶向筛选。例如，为选择具有高产特性的植物，可以通过使用多性状的方法来纳入能够以高通量并能在早期阶段进行测量的表型，比如冠层温度和归一化差异植被指数，从而提高选择的准确性，并综合考虑GEBV值，以将产量潜力最大化。另一个例子是最终用途的质量性状，这是小麦育种计划中最后测量的性状之一。使用多性状方法，基于对少量面粉的近红外和核磁共振的特征图谱分析进行的最终用途质量性状的预测可以与DNA分子标记的预测组合起来，给出准确的GEBV值。这些数值随后可用于选择出具有理想最终用途质量性状的植物，比可能使用的其他手段的育种周期所消耗的时间短许多。

基因组选择在与其他技术组合使用时会带来最大回报，即（i）缩短传代间隔时间和（ii）包括影响目标性状的决定性突变的准确位点，因为在这种情况下，预测不再依赖于DNA标记与决定性突变之间的连锁不平衡。由于快速育种可以实质上减少传代的间隔，通过在每一代应用基因组选择带筛选出选择下一代的父母本，这种方法所带来的的遗传增益可以大大增加。目前，基因分型的成本是实施基因组选择的最大挑战。为了降低成本，一种选择是仅在每两代或三代应用一次基因组选择，或仅对在快速育种周期中通过了性状的可靠表型分析阈值的候选植株进行选择，例如某些抗病的类型。基因分型的新策略利用高通量测序（例如rAmpSeq）可能会非常显著地降低用于基因组选择的基因分型的成本。

对许多性状而言，影响表型的单核苷酸多态性的精准定位尚不清楚，虽然已经确定了某些情况下个体的多态性。如果这些多态性发生在野生或非优良种质，一种策略可能是采用ExpressEdit方法，在优良品系材料中快速设计并引入多态性，然后同时使用基因组选择对整个基因组范围内DNA标记的编辑和数以千计的其他影响理想性状的多态性同时进行选择。另一个有希望的选择将基因组选择与快速抗病基因的发现和克隆技术整合起来。虽然可以使用标记辅助选择来递送具有显著效应的抗性基因，该方法与基因组选择的组合使用将有助于积累和维持有利于有效抗病的次要基因变异。这样的方法可能会降低病原体变体克服抗性基因的选择压力。

基因组选择也可用于在整个基因组中叠加有用的单倍型，从群体中分离的可用单倍型中创建出一个最佳种植品系。基因组区域可以通过例如连锁不平衡来定义。单倍型的GEBV定义为单倍型的标记效应的的总和。然后，可对基因组的各个部分确定出具有最高GEBV值的单倍型，这些最佳单倍型可以通过最佳杂交模式叠加到单个植株中。具有理想基因编辑或抗病性等位基因的单倍型可以设定为特定基因组区域中的“最佳”单倍型，并组合到单个植株中。这种性状叠加的方法结合快速育种，可用于快速开发具有多种性状表现俱佳的作物新品种。

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加速植物驯化

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植物驯化是一个漫长的突变选择过程，在一系列性状中选择保留最终使植物易于栽培的那些。通过野生物种的新驯化来模仿这一过程，可能是培育现代栽培品种的另一种方式。它提供了一种可能性，用于得到驯化植物基因库中未发现的基因和性状。驯化通常与多倍体有关：事实上，大多数作物都是多倍体。然而，由于存在与近缘种的生殖隔离和多体遗传，多倍体使作物的改良更加复杂化。多倍体与驯化直接相关，通过重新创建多倍体进行快速的重新驯化是从野生近缘种引入新的基因和等位基因的最直接途径。这种重新驯化过程可通过快速育种进一步加速。花生和香蕉是两个可以从这种方法中受益的多倍体作物。花生是异源四倍体，可以通过将野生的AA和BB基因组的二倍体进行杂交，然后用秋水仙碱处理使染色体加倍，并通过数轮回交农艺性状的筛选来实现。快速育种适用于花生，它可以在多个筛选步骤中加速重新驯化的过程。在香蕉中，多倍体发生在多个栽培品种的驯化过程中，包括野生型AA和BB物种的种内和种间杂交，加上染色体消除和来自其他物种的转育，结果导致基因组构成为AAA、AAB和ABB的无籽栽培种形式。基础多倍体事件的少量发生，加上多年生植物在世界范围内的无性系繁殖，对毁灭性疾病几乎或根本没有抵抗力，加剧了遗传多样性不足造成的问题。在花生和香蕉中，利用各种二倍体品种进行多倍体驯化种的再合成和快速育种，将为获得包括抗病性在内的新性状和新品种的快速发展提供途径。此外，在香蕉中，直接编辑现有的三倍体优良品种，可以在短期内快速获得改良品系，从而避免了重新合成三倍体所需的成本和时间。为了避免多体遗传，在某些物种中，可以使用具有所需性状的供体在二倍体背景下进行育种，然后通过未减数的配子和/或倍间杂交重新构成多倍体。与直接育种多倍体相比，该方法所需的时间和资源更少，为培育新品种提供了一条有吸引力的途径；这对一些作物是有用的，如香蕉和土豆。例如，在香蕉中，育种是在二倍体优良品系和野生亲缘之间进行的，然后通过将选择的二倍体进行杂交（二倍体杂杂）和将选择的二倍体进行染色体加倍，以迅速产生倍间杂交（即4x×2x），用于生产无籽的三倍体。香蕉植株很大，生长周期很长，从杂交品种的产生到启动评估，最长可达三年。同样，快速育种可以在加快杂交种开发方面发挥作用，以便进行评价和进一步的杂交和选择。

其他驯化新物种的方法包括利用已知的驯化基因来重演驯化植物的理想株型。以孤生作物和野生物种的驯化相关基因为目标，已经利用CRISPR-Cas9基因编辑技术得以实现。工程改良的新驯化品种可以直接用作农作物，也可以与优良品系杂交，在不存在与野生种质利用相关的时滞的情况下，快速引入新的性状。这一方法已经在番茄上得到了验证。

编辑和诱变结合快速育种也可以适用于通过生物强化制造更健康的食品，比如增加水稻中维生素B9的含量或去除有害物质蛋白质如藜麦中的皂苷，芸苔属植物种子中的抗营养性硫代葡萄糖苷以及草豌豆中的神经毒素。通过基因编辑的驯化过程是一条激动人心的途径，它可以通过产生直接与高级株系杂交的株系，快速开发作物野生亲缘基因库，而且几乎没有遗传阻力。结合快速育种，这些工具提供了快速获得新的遗传变异的途径，并加速将这种变异应用到农民的土地上。

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快速育种2.0

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LED的创新与扩展的光周期和早期种子收获相结合，使得快速育种得以更广泛应用。但是，进一步提高育种速度有限制吗？快速育种旨在优化和整合影响植物生长和繁殖的参数，减少传代时间以及观察表型所需的时间，特别是那些在发育后期出现的表型。我们如何定制快速育种，以满足不同作物、品种和表型的具体要求？

一个相似的方法也已应用于小扁豆。甚至更早通过使用胚胎救援可以收获；从12天后，2-3天后可以达到100％的发芽率。该方法避免了对种子的任何需要干燥和分层，将发电时间缩短至少8天。

打破种子休眠是提高育种速率的第一步。在许多物种中，母体植物在胚胎发育过程中使种子处于休眠状态。种子的休眠可以在收获后通过冷分层被立即打破，即，种子在低温下吸水或使用促进发芽的激素，如赤霉素。在开花后第14天提早收获小麦和大麦种子，然后进行3天的干燥和4天的冷分层，使其休眠状态被打破，并与收获成熟种子相比减少大约15天的生产时间。类似的方法也应用于小扁豆。通过胚胎拯救甚至可以实现更早的收获；从开花后12天开始，经过2-3天的培养，发芽率可达100%。这种方法避免了种子的干燥和分层，至少缩短了8天的生产时间。

始花期也可以提前。有些植物需要长时间的冷处理（春化）来调节向始花期的过渡；冬小麦品种需要6至12周。调控春化的分子成分在许多植物中都是已知的。瞬时地操纵这些控制点——例如，通过下调中央调控器VERNALISATION 2——可能会导致“快速春化”的发展。

在植物生长的关键阶段，通过提高温度可以加速植物的生长。高温会导致水汽不足，阻碍植物生长和花粉发育；然而，当允许的水汽水平保持不变时，营养生长和衰老的速度可以加快。这一点已在玉米中得到证实，尽管植物在最低（夜间）温度偏高时容易导致籽粒产量大幅下降。当植物的温度敏感性已知时，可以在适当的生长阶段用高温进行干预以加速生长。在面包小麦中，发现粮食产量下降的温度敏感期发生在减数分裂时期。因此，在其营养生长时可以使用高温，而生殖生长阶段可以保持低温来维持籽粒的发育。

优化日照时长和光照质量可以改进育种时间。日照时长和光照质量的变化可以促进植物生长。长日照促进日中性或长日照植物的生长，而光合作用优化后的光照质量可提高初级产量。红光与蓝光的比值对开花来说也很重要，在小麦中，粉红光诱导开花最早，红光与蓝光的比值约为1。现有的快速育种系统的一个特点是使用LED来改善光照质量并降低运营成本。相反，激光可以被用来进一步降低成本，因为它具有更高的电转换效率，40-60%的能量被转换成光，取决于光的颜色。除了促进增长和增加能源投入的回报外，激光还可以在生长箱或温室外产生，在温室内发射，然后散布到植物上，从而消除了使作物在受控环境下进行研究代价高昂的大部分冷却成本。在这些条件下生长的拟南芥作物与在冷白色荧光灯下生长的相比，表现出与光和辐射胁迫相关的某些蛋白的表达减少；因此，使用这种方法可以应用更高的光子辐照强度，对植物的损伤更小。

土壤历来是成功的植物培育的基础。然而，水培生长系统允许更优化的营养成分和更快的吸收效率，同时保持根系生长的最佳有氧条件。尽管有这些潜在的好处，但必须注意优化营养供应，从而避免不良影响，如叶子不衰老和成熟不同步。

提高二氧化碳浓度可以通过增加植物的光合能力来提高生产力。增加二氧化碳还会提高光合作用的其他重要输入（如光照强度和质量）的饱和阈值，并通过减小气孔孔径来抵消高温导致的水分损失。同样，要实现二氧化碳升高的积极作用，可能需要优化水和营养供应。因此，对于在这类投入方面不受限制的水培而言，可以释放植物的全部生长潜力。

根据使用的目标（快速生长周期、快速杂交或快速表型分析）和植物种类，需要对参数进行权衡优化。例如，Zeng等人在80立方厘米的小型植物生长井中植物施加水分胁迫，他们得出的研究结果是，预计每年可生产8代小麦，但每株小麦的种子产量只有两到三粒。

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展望

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对某些作物来说，由于对延长的日照时间敏感或额外的光照不能加速其生殖成熟，因此无法实现快速育种和与其他育种技术的结合。例如，番茄对恒定的光照很敏感，但是研究人员已经发现了一种番茄基因，这种基因使番茄能够耐受恒定的光照，并且在转入在快速育种条件下可生长的品种中后，其果实产量提高了20%。同样，遗传或环境解决方案允许对其他难以驯化的作物进行快速育种，如短日照的物种如玉米和两年生物种如甜菜。创新如使用海水的蒸发冷却系统、半透明的太阳能电池板、选择性地传输可促进植物生长的波长，以及更高效的照明系统（例如激光），可以降低快速育种的成本，使其更进一步发展并更广泛使用。在过去的100年里，植物育种带来了高产作物，维持了人口的增长。利用一系列现代育种技术开发下一代作物品种，将在未来几十年中满足人口进一步增长的需求。（基因农业网Panda翻译）