成就
上世纪60年代的绿色革命导致小麦、玉米和水稻等农作物的产量大幅增加; 80年代的转基因技术大大减少了土壤耕作和杀虫剂的使用; 最近的基因组技术提高了作物的环境适应力和生产力; 这些技术满足了当时不同时代全球人口的粮食需求。 面对未来的人口增长，需要CRISPR-CAS技术等新技术进行基因组定向编辑和基因修饰，以实现作物产量的稳定增长。
环境胁迫下的产量损失。
未来的农业必须满足气候变化中对营养食品和动物饲料的需求，并减少农业对环境的影响。 植物科学家只能通过对遗传变异以及分子、细胞和发育途径的深入了解来应对这些挑战。 一个重要的目标是通过优化光合作用来提高水和养分的使用效率，包括促进作物和微生物之间的相互作用，从而增加肌肉对养分的吸收和利用。 本文回顾了植物科学领域的进展、后绿色革命的挑战以及对未来的展望。
后绿色革命的挑战
虽然绿色革命在粮食安全方面发挥了关键作用，但它也带来了一些问题，如区域发展不平衡、营养不均衡、作物多样性减少、抵御自然灾害（极端天气和病虫害）的能力下降以及环境污染。 亚洲人口受益于主食产量的增加和广泛灌溉的使用。 撒哈拉以南非洲和其他贫困地区由于对孤儿作物的支持和投资不足而资金不足（注：孤儿作物是仅在非常有限的地区分布并由当地人食用的作物。 他们在原籍地以外并不为人所知。 在当代全球化的背景下，随着小麦、水稻等主流作物的强势传播，这些孤儿作物正逐渐从当地人民的餐桌上消失。 如果我们不注意它，也许有一天，我们将无法再吃它们）。
在一些地区，一个意想不到的后果是，富含大量营养素的水果和蔬菜被高热量和高价值的谷类作物所取代。 面向未来，提高营养丰富的蔬菜、豆类、块茎和谷类作物的产量对于实现粮食和营养安全至关重要。
在次优环境中提高产量的途径。
产量性状和改良途径
本文讨论了对作物生长至关重要的几个性状，包括与遗传学相关的遗传变异和可塑性。 改进（左）以及解决性状改进的高级和新兴方法（右）。 压力弹性、高刚度和对动态环境的时间响应有助于提高产量。 改进的机会包括捕获自然遗传变异、基因的功能表征、适当控制的内源性或转录基因调控，以及开发低成本和安全的小分子，这些小分子可以在胁迫之前或恢复期间递送给植物，通过与共生微生物的相互作用来改善植物健康。
左屈服性状
芽状果实穗状
花序结构和生育力。
根对根的生物量。
光合作用。 气孔运动和密度调整。
同化、加载和分区。
老化时间。 根部性状
结构和解剖学。
增长动力。 养分吸收和利用效率高。
微生物相互作用。
达观
干旱、盐碱化、洪水和极端温度（非生物）。
害虫和病原体（生物体）。
温和的响应，以尽量减少生长损失。
Right - 新机遇
自然遗传变异
抗压和恢复机制。
性状的聚合。 基因工程和编辑
在空间上、时间和诱导上控制基因和网络。
改善蛋白质功能、靶向和翻译。
增强代谢途径。
引入综合性状。
有益的土壤和叶片微生物组
播种和补充。
吸引有益微生物。
小分子递送
响应激活。 代谢调节。
传感器
细胞、器官、冠层和远端。
改进的新方法
1.预防和抗击新疾病
在蛋白质结构水平上阐明受体-病原体识别和激活机制的进展为合理设计可以拦截更广泛或替代疾病的受体蛋白提供了策略。 然后，新设计的抗性状可以转移到优良的作物品种上，以赋予对现代疾病的抗性。 例如，在田间试验中，将抗白粉病小麦PM3E抗性基因转移到易感小麦品种上，产生了有效的抗病性。 此外，将具有不同种质识别模式和环境最佳条件的多个抗性基因堆叠到单个背景中是获得更持久的抗病性的可靠策略。 此外，鉴于当前的气候趋势，为了实现高产品作物的持久抗性，需要更好地了解病原体种群动态和植物宿主对温度的反应。
2.抵抗非生物胁迫
与气候变化相关的非生物胁迫破坏了产量，包括洪水、干旱、土壤盐碱化和极端温度。 通过识别与关键性状和信号转导途径相关的基因来改良作物，然后进行育种或工程改造。
3.优化光合作用以提高产量
现代作物在快速蔓延叶冠以最大限度地阻挡光线以及将碳和养分分配给种子方面非常有效。 然而，作物通过光合作用将吸收的光能转化为糖分的效率并不高。 理论目标包括扩大和优化叶冠捕获的光，更快地使光系统II上的非光化学猝灭正常化，增加Rubisco酶的羧化能力并最大限度地减少氧合和光呼吸，增强光合酶的再生能力，减少碳循环，优化电子传递链，将作物从C3代谢转化为C4代谢， 并添加蓝藻或藻类系统的成分以泵送 CO2 或分离 Rubisco 途径等途径。
4.大气中二氧化碳的增加和植物中水分的流失
对于通过光合作用固定的每个碳原子，作物通过叶子的气孔损失了 100 到 400 个水分子。 叶片内CO2浓度的增加导致气孔孔径减小。 大气中二氧化碳的不断增加使气孔变窄，可以提高农作物的水分利用效率。 因此，需要全面了解 CO2 响应途径，以优化和测试该领域的用水效率和气体交换策略。
5.减少化肥使用的技术
作物产量在很大程度上取决于目前主要通过施用无机肥料提供的充足养分。 平衡光吸收和养分吸收对于优化产量至关重要。 氮缺乏可以通过改变控制生长和养分利用的转录因子的平衡来补偿。 育种还可以通过优化生根系统、养分运输活动和分布来减少养分失衡。 在自然生态系统中，植物经常与有益微生物接触，这些微生物有助于吸收有限的营养物质，因此需要更多的研究来获得农业中菌根结合的好处。
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