转向气候适应性作物和可持续农业

牧草等苜蓿（苜蓿L.）包括农业产业的基本组成部分。牲畜的牧草物种消耗远远远非节能，导致牲畜健康和环境的影响通过释放温室气体。此外，气候变化的普遍力挑战作物恢复力和可持续性。研究科学家农业和农业加拿大斯塔斯博士（AAFC）旨在减少农业的环境影响，并通过采用创新的生物技术技术，包括基因组编辑，产生更多的弹性作物。

饲料作物苜蓿是美国第四大栽培作物，被玉米、大豆和小麦所取代。由于具有较高的生物产量、蛋白质含量、适口性、对不同生长条件的适应性和固氮能力，是豆科牧草中种植最广泛的品种之一。尽管有这些品质，像其他一些作物品种一样，苜蓿的分解和转化为牲畜蛋白质（以肉和牛奶的形式）并不是最佳的。这是由于饲料蛋白在瘤胃发酵过程中易于消化，而植物细胞壁成分（纤维素和半纤维素）的消化较慢且较差。

这种异步导致氮气损失高，通过排泄转移到周围环境中。苜蓿等农作物的生产者不仅会丧失利润，而且环境可能会沉重。通过动物废物通过的氮气可以浸入地下水中作为硝酸盐并导致水污染。氮也可以用作氧化亚氮形成的基材，是一种锻炼的温室气体。瘤胃发酵效率低下也可以导致大量甲烷的发射。这是一种强大的温室气体，据说导致环境冲击大于二氧化碳25倍。

这些挑战证明需要更可持续的农业做法。为了减轻与饲料作物种植相关的负面影响，像Stacy Singer博士这样的研究人员正转向生物技术寻求答案。提高牲畜生产性能和减少环境影响的一些方法包括：

• 通过细胞壁组分的改变作物消化率，
• 增加浓缩单宁（Contened Tannins）的二次化合物的产生，
• 提高饲料作物的脂肪含量，
• 提高气候变化的弹性，
• 提高光合效率提高作物产量。

科学家们已经提出提高家畜饲料中的脂肪水平，以增加热量含量，减少包括甲烷在内的温室气体排放。

增加脂质含量
脂质是细胞膜的结构成分，是细胞外部环境的通透性屏障。植物脂类在细胞信号传递和能量储存中起着重要作用。研究表明，脂类比碳水化合物和蛋白质等其他能源具有更高的热量含量。有了这些知识，科学家们建议提高牲畜饲料中的脂质水平，以增加热量含量，减少包括甲烷在内的温室气体排放。这是因为随着脂肪补充量的增加，摄入会减少。

据估计，将叶脂含量增加到干重（DW）的7%到8%之间可使能量增加10%，而不会损害瘤胃功能或损害蛋白质终产物。提高牲畜饲料中的脂肪含量可能是一个可行的和具有成本效益的解决方案，分别为环境和作物生产者。此外，增加饲料油含量也可能有额外的好处，在保持有效的能量转换和减少含氮废物的同时，减少腹胀的风险。由于叶脂含量性状的变异性很小，传统的植物育种方法不适合进行高脂饲料试验。这就是分子育种的中心。

辛格博士和来自AAFC Lethbridge研究与发展中心的Surya Acharya博士正试图利用基因组编辑来提高苜蓿中的脂质水平。在温尼伯AAFC的Champa Wijekoon博士的初步研究中，他们在苜蓿的近亲中使用了一种称为病毒诱导基因沉默（VIGS）的分子技术(Medicago Truncatula.）向下调作物物种中含有脂质含量的降低的基因。在拟南芥，基因糖依赖性1（SDP1），ADP-葡萄糖 - 焦磷酸化酶小亚基1（APS1），三烷酰基二酰基甘油5（TGD5），和过氧化物血清ABC转运蛋白1（PXA1）结果表明，下调后叶片脂质含量增加。同样的基因在M. Trunculata.已知存在于苜蓿中。苜蓿的基因组仅被测序并组装到二倍体水平，这就是原因M. Trunculata.用于本研究。

在这项研究的背景下，VIGS涉及利用病毒载体靶向SDP1、APS1、TGD5和PXA1，将该基因通过农杆菌肿瘤术感染。这些基因被转录和翻译，产生的双链DNA被修饰，产生一种复合物，切断其互补RNA。这个过程导致靶基因的敲除。

在所有四个靶基因中，作者发现敲除SDP1、APS1和PXA1可显著增加脂肪含量M. Trunculata.与空载体渗透管植物相比，植物（3-4％dw）。还显示出这些基因的操纵，显着改变营养组织的总酰基脂质的脂肪酸组成。α-亚麻酸（18：3）显示SDP1和PXA1的沉默显着增加。已知这种多不饱和脂肪酸水平较高，用于防止心血管疾病和高脂血症。这可能是牲畜产品消费者的好处。总体而言，SDP1，APS1和PXA1被证明是苜蓿中基因组编辑的有希望的候选者，目前正在使用该平台进行针对性，产生减少甲烷生产，鼓励更健康的牲畜的富集富集的作物，并提供消费者的健康益处。

提高作物产量
辛格博士关注的另一个领域是在不断变化的环境条件下提高苜蓿等饲料作物的光合效率/能力。她的研究小组在这一领域的研究即将起步，但却被冠状病毒的爆发所阻止。当研究小组开始这项研究时，他们将致力于鉴定小麦、油菜和苜蓿中对光合作用过程非常重要的基因。经鉴定，这些基因可用于下游分子育种实验。

博士博士专注于改善在不断变化的环境条件下紫花苜蓿的光合效率/容量。

在2017年，歌手博士突出了斯法尔法制造的分子改进综述，突出了一些可用于提高饲料作物中生产力和适应性的遗传工具和方法。增强光合容量的一种方法是通过上调参与光合作用的基因的表达，例如编码在钙氏循环中使用的酶的基因。这是针对水稻和烟草进行的，导致光合活性增加和生物量增加。然而，在高CO的情况下，这只是真正观察到₂或渗透胁迫。在另一篇关于高一氧化碳潜在影响的综述中₂对于苜蓿和大豆等豆类作物（2019年），辛格博士排除了利用作物特性来利用生长中的CO₂作为气候变化的水平将来更加明显。

虽然有些豆科植物在这样的条件下能够茁壮成长，但并非所有豆科植物都是如此。植物吸收CO的能力等因素₂，储存碳，修复和利用氮，以及与细菌共生关系的利用能量均为作物生物量和总收益率。确定这些品质背后的潜在的分子机制将是为未来粮食安全为工程和工程气候繁殖品种进行分子育种实验的关键。

非生物胁迫恢复力
除了提高饲料植物特征和畜牧业的畜牧业外，博士还对苜蓿中基因的调节感兴趣，以增加对非生物胁迫的弹性。她特别专注于改善对干旱，盐度和洪水的宽容，这可能变得更加明显，因为气候变化加剧。

众所周知，紫花苜蓿对干旱有很强的抵抗力，但随着气温的升高和作物栽培水源的匮乏，这一特性可能需要加强。如果不加以监测和防备，洪水泛滥和盐分增加将对作物生产造成不利影响。对植物，特别是紫花苜蓿，对上述任何一种胁迫的反应途径的分子知识将有助于高抗逆性品种分子育种的基因定位。辛格博士致力于利用转录组学和代谢组学鉴定苜蓿野生近缘植物中的基因和分子，这些基因和分子可能在这方面发挥有益的作用。一个成功的CRISPR/Cas9介导的基因组编辑平台也已经在这个物种中开发出来（与安大略省伦敦AAFC的Abdelali Hannoufa博士合作），目前正被用于靶向多个基因以提高非生物胁迫耐受性。