在理解植物生物學(xué)、新的遺傳資源、基因組改造和組學(xué)技術(shù)方面的進(jìn)步為在不斷變化的環(huán)境條件下的食品安全和新型生物材料生產(chǎn)提供了新的解決方案。新的基因和種質(zhì)候選者有望在壓力下提高作物產(chǎn)量和其他植物性狀，必須通過(guò)大規模實(shí)地評估，在反復試驗的基礎上，通過(guò)長(cháng)期發(fā)展階段。因此，定量、客觀(guān)和自動(dòng)篩選方法與決策算法相結合可能具有許多優(yōu)勢，能夠在早期階段快速篩選最有希望的作物品系，然后進(jìn)行最終強制田間試驗。新型分子工具、篩選技術(shù)和經(jīng)濟評估的結合應該成為農業(yè)植物生物技術(shù)革命的主要目標。

圖1.農業(yè)生物技術(shù)加工和篩選漏斗

植物生物技術(shù)和農業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展取決于各種科學(xué)投入的有效組合和應用（圖1），這些投入是進(jìn)入生物技術(shù)處理漏斗的成分：細胞生物學(xué)、生物化學(xué)和代謝、各種組學(xué)、系統和合成生物學(xué)方法，以及其他技術(shù)（如組織培養、轉化、信息學(xué)）。植物生物學(xué)的其他主要成就是植物基因組工程的新方法。例如，細菌RNA導向的CRISPR–Cas9核酸內切酶是真核生物中位點(diǎn)特異性基因組修飾的通用工具。該方法適用于任何模式生物的基因組編輯，并最大限度地減少非靶點(diǎn)突變的混淆問(wèn)題，除其他新技術(shù)外，有望成為等位基因修飾、基因置換、蛋白質(zhì)組結構表征和翻譯后修飾的方法。這種快速擴展的基因組工程工具包可以提供的對植物基因組遺傳信息的控制，對于闡明植物代謝、生理和形態(tài)特征，從而更好地控制和修改生物結構和功能非常重要。

圖2.縮小基因型-表型差距

田間表型分析可以增加高潛力候選作物的比例和數量，從而節省時(shí)間和金錢(qián)，縮小基因型-表型差距，是主要的農業(yè)技術(shù)愿景之一（圖2）?；虬l(fā)現整合了分子生物學(xué)和組學(xué)工具和程序，上圖所示。 接下來(lái)是概念驗證小組，其中包括基因轉移階段和各種組織培養操作。 轉化植株的早期發(fā)育發(fā)生在離體植株再生之后，產(chǎn)生各種性狀的候選植株。通過(guò)發(fā)現和概念驗證階段的候選植物在整個(gè)篩選和發(fā)育階段接受若干額外的評估和評估步驟，選擇表現出良好耐逆性的品系，同時(shí)保持其他理想性狀，如產(chǎn)量（數量和質(zhì)量）、生長(cháng)和發(fā)育。

今天的主要程序是使用傳統的、基于田間的選擇過(guò)程從數千種植物中選擇少數植物，這些過(guò)程需要整個(gè)季節和重復的大規模田間試驗。這個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程可能會(huì )持續數年并需要大量資源，從而限制了可以同時(shí)篩選的有希望的候選者的數量。我們設想開(kāi)發(fā)一個(gè)高分辨率、高通量的診斷篩選平臺，用于研究全植物生理性能，作為表型篩選——“生理組學(xué)"（圖2）——從而彌合現有的基因型 - 表型差距。數百種承受多種壓力條件組合的植物可以在其生命周期的特定階段同時(shí)進(jìn)行篩選。表型篩選系統可以顯著(zhù)加速開(kāi)發(fā)過(guò)程，并允許在受控標準和壓力條件下連續測量作物行為，在溫室的早期階段消除那些不太可能在田間試驗中表現良好的候選者。表型分析過(guò)程的成本是一個(gè)重要問(wèn)題；然而，這項技術(shù)正在迅速發(fā)展，目前還很難估計成本。

圖3.植物作為生物材料的工廠(chǎng)

植物以相對較低且廉價(jià)的投入產(chǎn)出50多萬(wàn)種次級代謝物。新的基因發(fā)現和改進(jìn)的代謝組學(xué)數據、植物工程程序和工業(yè)平臺的可用性不僅可以提高食品和傳統植物衍生產(chǎn)品（如纖維和軟木塞）的產(chǎn)量，還可以提高新型非植物化合物的產(chǎn)量（圖3）。這些包括以下簡(jiǎn)要提及的幾個(gè)主要類(lèi)別，其中一些是潛在的有吸引力的石化材料替代品，可以在轉基因植物中生產(chǎn)。

雖然植物農業(yè)生物技術(shù)由于新的分子標記輔助作物育種和基因工程的實(shí)施而取得成果，但重要的是要將許多重大成就與幾個(gè)遺留問(wèn)題區分開(kāi)來(lái)，并指出未來(lái)的研發(fā)需求。在基因型水平上，基因組作圖和組學(xué)標記的使用帶來(lái)了令人印象深刻的進(jìn)步，并成為幾種田間、園藝和森林植物育種的常規。在表型水平上，改良的農業(yè)技術(shù)（如精準農業(yè)）正在不斷發(fā)展，從而提高了農業(yè)、園藝和林業(yè)的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀。此外，正在開(kāi)發(fā)新的高通量選擇系統，以實(shí)現對特定性狀的快速田間前篩選，并可能最終成為常規。因此，我們敦促采用系統生物農業(yè)綜合方法，同時(shí)考慮植物微生物組群，以在21世紀實(shí)現植物生物技術(shù)和農業(yè)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。