成就
上世紀60年代的綠色革命導致小麥、玉公尺和水稻等農作物的產量大幅增加; 80年代的轉基因技術大大減少了土壤耕作和殺蟲劑的使用; 最近的基因組技術提高了作物的環境適應力和生產力; 這些技術滿足了當時不同時代全球人口的糧食需求。 面對未來的人口增長，需要CRISPR-CAS技術等新技術進行基因組定向編輯和基因修飾，以實現作物產量的穩定增長。
環境脅迫下的產量損失。
未來的農業必須滿足氣候變化中對營養食品和動物飼料的需求，並減少農業對環境的影響。 植物科學家只能通過對遺傳變異以及分子、細胞和發育途徑的深入了解來應對這些挑戰。 乙個重要的目標是通過優化光合作用來提高水和養分的使用效率，包括促進作物和微生物之間的相互作用，從而增加肌肉對養分的吸收和利用。 本文回顧了植物科學領域的進展、後綠色革命的挑戰以及對未來的展望。
後綠色革命的挑戰
雖然綠色革命在糧食安全方面發揮了關鍵作用，但它也帶來了一些問題，如區域發展不平衡、營養不均衡、作物多樣性減少、抵禦自然災害（極端天氣和病蟲害）的能力下降以及環境汙染。 亞洲人口受益於主食產量的增加和廣泛灌溉的使用。 撒哈拉以南非洲和其他貧困地區由於對孤兒作物的支援和投資不足而資金不足（注：孤兒作物是僅在非常有限的地區分布並由當地人食用的作物。 他們在原籍地以外並不為人所知。 在當代全球化的背景下，隨著小麥、水稻等主流作物的強勢傳播，這些孤兒作物正逐漸從當地人民的餐桌上消失。 如果我們不注意它，也許有一天，我們將無法再吃它們）。
在一些地區，乙個意想不到的後果是，富含大量營養素的水果和蔬菜被高熱量和高價值的穀類作物所取代。 面向未來，提高營養豐富的蔬菜、豆類、塊莖和穀類作物的產量對於實現糧食和營養安全至關重要。
在次優環境中提高產量的途徑。
產量性狀和改良途徑
本文討論了對作物生長至關重要的幾個性狀，包括與遺傳學相關的遺傳變異和可塑性。 改進（左）以及解決性狀改進的高階和新興方法（右）。 壓力彈性、高剛度和對動態環境的時間響應有助於提高產量。 改進的機會包括捕獲自然遺傳變異、基因的功能表徵、適當控制的內源性或轉錄基因調控，以及開發低成本和安全的小分子，這些小分子可以在脅迫之前或恢復期間遞送給植物，通過與共生微生物的相互作用來改善植物健康。
左屈服性狀
芽狀果實穗狀
花序結構和生育力。
根對根的生物量。
光合作用。 氣孔運動和密度調整。
同化、載入和分割槽。
老化時間。 根部性狀
結構和解剖學。
增長動力。 養分吸收和利用效率高。
微生物相互作用。
達觀
乾旱、鹽鹼化、洪水和極端溫度（非生物）。
害蟲和病原體（生物體）。
溫和的響應，以儘量減少生長損失。
Right - 新機遇
自然遺傳變異
抗壓和恢復機制。
性狀的聚合。 基因工程和編輯
在空間上、時間和誘導上控制基因和網路。
改善蛋白質功能、靶向和翻譯。
增強代謝途徑。
引入綜合性狀。
有益的土壤和葉片微生物組
播種和補充。
吸引有益微生物。
小分子遞送
響應啟用。 代謝調節。
感測器
細胞、器官、冠層和遠端。
改進的新方法
1.預防和抗擊新疾病
在蛋白質結構水平上闡明受體-病原體識別和啟用機制的進展為合理設計可以攔截更廣泛或替代疾病的受體蛋白提供了策略。 然後，新設計的抗性狀可以轉移到優良的作物品種上，以賦予對現代疾病的抗性。 例如，在田間試驗中，將抗白粉病小麥PM3E抗性基因轉移到易感小麥品種上，產生了有效的抗病性。 此外，將具有不同種質識別模式和環境最佳條件的多個抗性基因堆疊到單個背景中是獲得更持久的抗病性的可靠策略。 此外，鑑於當前的氣候趨勢，為了實現高產品作物的持久抗性，需要更好地了解病原體種群動態和植物宿主對溫度的反應。
2.抵抗非生物脅迫
與氣候變化相關的非生物脅迫破壞了產量，包括洪水、乾旱、土壤鹽鹼化和極端溫度。 通過識別與關鍵性狀和訊號轉導途徑相關的基因來改良作物，然後進行育種或工程改造。
3.優化光合作用以提高產量
現代作物在快速蔓延葉冠以最大限度地阻擋光線以及將碳和養分分配給種子方面非常有效。 然而，作物通過光合作用將吸收的光能轉化為糖分的效率並不高。 理論目標包括擴大和優化葉冠捕獲的光，更快地使光系統II上的非光化學猝滅正常化，增加Rubisco酶的羧化能力並最大限度地減少氧合和光呼吸，增強光合酶的再生能力，減少碳迴圈，優化電子傳遞鏈，將作物從C3代謝轉化為C4代謝， 並新增藍藻或藻類系統的成分以幫浦送 CO2 或分離 Rubisco 途徑等途徑。
4.大氣中二氧化碳的增加和植物中水分的流失
對於通過光合作用固定的每個碳原子，作物通過葉子的氣孔損失了 100 到 400 個水分子。 葉片內CO2濃度的增加導致氣孔孔徑減小。 大氣中二氧化碳的不斷增加使氣孔變窄，可以提高農作物的水分利用效率。 因此，需要全面了解 CO2 響應途徑，以優化和測試該領域的用水效率和氣體交換策略。
5.減少化肥使用的技術
作物產量在很大程度上取決於目前主要通過施用無機肥料提供的充足養分。 平衡光吸收和養分吸收對於優化產量至關重要。 氮缺乏可以通過改變控制生長和養分利用的轉錄因子的平衡來補償。 育種還可以通過優化生根系統、養分運輸活動和分布來減少養分失衡。 在自然生態系統中，植物經常與有益微生物接觸，這些微生物有助於吸收有限的營養物質，因此需要更多的研究來獲得農業中菌根結合的好處。
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