CRISPR/Cas9“爆改”番茄，大幅提高植物工厂生产效率，收获周期缩短16%，有效产量提升180%

摘要：垂直农业（又称植物工厂）是一种整合环境控制和立体化种植技术，以工业化方式生产农产品，被称为“未来粮仓”的新型农业模式。但因能耗高、缺乏适种品种, 长期存在“橘生淮北”问题, 难以突破规模化发展瓶颈。

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垂直农业（又称植物工厂）是一种整合环境控制和立体化种植技术，以工业化方式生产农产品，被称为“未来粮仓”的新型农业模式。但因能耗高、缺乏适种品种, 长期存在“橘生淮北”问题, 难以突破规模化发展瓶颈。

2025年5月12日，中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员与陈凡研究员团队合作在Journal of Integrative Plant Biology发表题为“Harnessing Green Revolution Genes to Optimize Tomato Production Efficiency for Vertical Farming”的研究论文。该研究分子聚合赤霉素和成花素两大分子途径的绿色革命关键基因，创建了“垂直农业革命”分子模块，通过基因编辑快速创制了矮杆、紧凑、密植、节能、省工的早熟高产优质番茄，为植物工厂专用型果蔬品种快速精准定制提供新方案。

极端气候频发、耕地资源限制、水资源短缺和快速城市化对传统农业生产和粮食安全构成严重威胁。构建更加多元化的食物供给体系，是提升粮食综合生产能力，保障粮食安全客观要求和重要举措。植物工厂不仅为保障粮食安全提供了多元化解决方案，还兼具常态化供给与应急保障能力。可移动式集装箱植物工厂可在地震、洪涝等灾害发生后实现快速部署，无需依赖外部供应链即可维持战区或灾区食物生产系统运转，同时适应潜艇军舰、偏远海岛及极地高原等特殊场景，显著提升边防后勤保障水平。得益于独立封闭的生产模式，植物工厂还具有为未来航天工程提供可持续食品保障的潜力。

然而，植物工厂的规模化应用仍面临多重制约：一方面，设施与运营投入高、能源消耗大导致生产成本居高不下；另一方面，缺乏植物工厂适用型或专用型品种。现在主要是将大田、农用大棚的作物品种直接种植在植物工厂，因适配性不足引发 “橘生淮北”效应，进一步推高生产成本。以小麦为例，其在植物工厂中的单位面积年产量虽可达传统农业的220-600倍，但46:1的投入产出比使之缺乏经济可行性。事实上，多数传统主粮及果蔬品种的株型结构、生长周期等特性与植物工厂环境的匹配度低，尤其是番茄、黄瓜、辣椒等株型复杂、收获周期长的茄果类蔬菜始终难以规模化生产，导致植物工厂仍局限于速生叶菜生产，陷入“高投入-低效率”的产业困局，亟需破解“橘生淮北”难题，快速创制垂直农业适用型新品种。

为此，许操团队以番茄为模式，对赤霉素途径中主粮绿色革命关键基因GA20ox、成花素途径中番茄产业革命基因SP和SP5G进行了分子聚合，成功创建了“垂直农业革命”分子模块。敲除番茄SlGA20ox1基因可形成具有矮化茎秆和紧凑冠层结构的垂直农业型理想株型。当在配备多层LED自动水培系统的商业化植物工厂中栽培时，slga20ox1突变体可节省75%的种植空间，减少28-31%的人工管理时长，并通过高密度种植、空间高效利用和低照明能耗实现38-69%的果实增产。在空间占用和照明能耗降低60%的集约化栽培模组中，适度密植的slga20ox1实现了与商业化植物工厂中相当的有效产量。将SlGA20ox1与SP、SP5G基因组合突变后，获得了早花、果实同步成熟且株型紧凑的品种。在商业化植物工厂中，sp sp5g slga20ox1三基因突变体使空间占用减少85%，收获周期缩短16%，有效产量提升180%，大幅提高了生产效率。鉴于赤霉素和成花素途径在不同作物中的保守性，该研究构建的“垂直农业革命”基因模块有望拓展应用于其他茄果类蔬菜植物工厂专用型品种快速定制。

中国科学院遗传与发育生物学研究所许操研究员和崖州湾国家实验室的陈凡研究员为该论文的共同通讯作者，博士研究生于绪琛，硕士研究生李作尧和副研究员杨永芳为论文的共同第一作者。中国科学院植物研究所副研究员李阳，许操研究组的助理研究员黎舒佳，博士研究生陆叶子和张馨瑜对该工作做出了重要贡献。崖州湾国家实验室的刘晓冉，中科三安的李晶和北京翠湖农业科技有限公司的李新旭、李树山为本研究提供了大力支持。该研究得到了中国科学院-荷兰研究委员会国际合作项目和国家自然科学基金委的资助。