实验设计:新的研究设计可能导致更好的作物

随着世界人口的持续增长，需要新的方法来确保未来的粮食供应。许多作物都经历了基因转化——一个将新基因导入植物细胞，然后培育成成熟植物的过程。加快作物改良的方法之一是优化转化过程。Corteva Agriscience的袁曹楚(音)正是出于这个目的^TM，美国爱荷华州约翰斯顿，使用了一种称为实验设计的方法来优化玉米的转化过程。这种方法允许在短时间内探索许多变量。

目前地球上居住着超过75亿人。随着21世纪进入第三个十年，世界人口继续增长。根据联合国的数据，到2050年，全球人口预计将达到97亿。

随着西方世界的一部分人转向素食主义，以应对对气候危机和人口增长的担忧，一些科学家正忙于解决一个更根本的问题:如何养活不断增长的人口。玉米，在一些国家也叫玉米，是最重要的谷物作物;玉米的产量比小麦和水稻都多。虽然有些玉米是由人类直接食用的，但大多数被用作动物饲料或制成玉米油、淀粉、糖浆或生物乙醇。

自从一万年前玉米被驯化以来，它就不断被改良以满足人们种植这种作物的需要。自驯化以来的所有修改都是在基因水平上。目前，为作物配备抗虫和耐旱的遗传能力是确保满足不断增长的粮食需求的一种方法。

DoE：研究复杂系统的新工具
Todd J。Jones和他在Corteva农业科学公司的同事们^TM是植物生物技术方面的专家。最近，他们一直在研究提高玉米和其他作物转化系统效率的方法。转化是将新基因传递给作物的过程。传统的转换系统已经使用了几十年，速度慢，劳动密集，容易发生人为错误。整个过程，从称为愈伤组织（最终成为新植物的细胞来源）的大量细胞的发育到植株的生长，大约需要10-15周。

2016年，琼斯博士参与了一个团队，该团队识别了两个名为Babyboom (BBM)和Wuschel2 (WUS2)，可以显著提高转换效率。这些基因提高了转化过程中不同阶段的效率，拓宽了可以转化的种质范围。这个新系统，使用BBM公司和WUS2，已被应用于其他谷类作物，并已被证明是一种快速、普遍的转化系统。

然而，尽管有这些改进，以前很少有其他研究试图通过提高转化过程的质量来提高效率。为了探究哪些因素可能导致更高质量的过程，朱女士使用了一种叫做实验设计(DoE)的方法。DoE是一种统计方法，允许同时测试复杂系统中的多个因素;基本上，它发现系统内的因果关系。DoE允许在一定程度上对系统进行测试，而传统的“一次一个因素”的方法是非常耗时和/或昂贵的。

DoE可能是研究复杂系统的一个非常有用的工具。

从培养皿到温室
朱女士用DoE研究了影响植物再生和健康根系发育的十种不同因素。这包括氮的形式和浓度，蛋白质合成所需的一种必需的植物营养素，植物生长调节剂（pgr）的类型和相对浓度以及光照条件。这项研究的目的是确定在转化过程中应如何应用这些因素中的每一个——例如，每种营养素应给予植物多少——以优化植物在每个生长阶段的质量。

该团队使用了一个成熟的转化过程，从分离玉米胚胎开始，用一种叫做根癌土壤杆菌能有效地将新基因导入玉米。胚胎发育为体细胞胚，其刺激因子为WUS2和BBM公司体细胞胚胎最终会发芽。一旦新植物长出根来，它们就会被移到温室里，移植到土壤中。在那里，植物成熟了。授粉后，这些植物会结出种子(大多数人一想到玉米就会想到玉米芯)，大约三到四个月后就会收获。该团队测量了体细胞胚胎在转化过程的各个阶段对各种因素的反应。

更好、更优质的玉米种植方式
朱女士发现，研究的十个因素中有许多对整个转化过程有重大影响，从最初的胚胎阶段到转移到温室。特别是，两种常量营养素(需要大量的营养素)，硝酸盐和铵钾比，在测量的每一个反应中都被证明是重要的。光和pgr也很显著，但不是在所有反应中。在发育早期，低光强度产生最好的结果。随后，生根的枝条需要较高的光照强度以达到最佳发育。

美国能源部的方法使该团队能够确定养分组合，从而成功地解决在转化过程中发生的植物质量问题。也有可能确定这些营养素和其他因素之间的相互作用，如光和pgr。

在早期胚胎发育过程中，铵与钾的比例对植株的发育起着至关重要的作用。这两种常量营养素的最有效比例为1:1。这导致了小的，单一的和形成良好的芽，强壮和肿胀。然而，这种情况在植物发育后期发生了变化，此时相对于铵，需要更多的钾。这样可以培育出健康的叶芽，一旦玉米被转移到温室，叶芽又会培育出更健康、更强壮的植株。这些结果表明，在温室中，从转化组织到植株的生长过程可能是一个动态的系统，在这个系统中，为了保持每个阶段的最佳条件，各种因素都是不同的。

在温室中，从转化组织到植株的生长过程，最好是由一个动态系统来促进。

使用DoE优化系统
朱棣文发现，通过使用这项研究确定的优化条件，送往温室的植物数量比目前的方法增加了一倍。遗传水平的结果也表明，在这些条件下生长的再生植株可能更健壮。

在这项研究中获得的有价值的结果只能通过使用DoE来实现。传统的，一次一个因素的实验方法会慢得多，需要太多单独的实验，所以不太可能尝试。使用这些方法优化复杂系统（如玉米转化过程）的可能性微乎其微。相比之下，能源部的方法允许研究人员调查多个复杂的变量，以及这些变量之间的相互作用，在一个大大缩短的时间框架。

DoE是研究复杂系统的一个非常有用的工具，特别是在体外，因为这些实验通常很容易在受控条件下进行。朱女士的工作清楚地说明了这一潜力，并证明了DoE是优化转化玉米生长的有效方法。如果要应对养活不断增加的人口的挑战，这样的研究可能证明对确保世界粮食供应的未来至关重要。