蒂芙尼李UNL的研究和经济发展

合成氮肥被誉为20世纪最大的农业突破之一，引发了粮食生产的繁荣，养活了从16亿增长到60亿的全球人口。

一个世纪后，全球人口和粮食需求继续攀升。今天的农业研究人员正转向植物基因组学，以寻找用更少的投入(包括氮肥)更可持续地种植作物的解决方案。

Husker的一个研究团队和位于阿拉巴马州的HudsonAlpha生物技术研究所的合作者设想了一种解决方案，可以在不牺牲产量或利润的情况下减少氮肥的使用:培育具有比现在的作物更有效利用氮的能力的植物。例如，在玉米带，农作物无法使用施用在它们身上的40%的化肥。

研究人员正在利用国家科学基金会390万美元的拨款推进这项工作。内布拉斯加大学林肯分校的奖金份额约为130万美元。

尽管氮肥是大规模粮食生产的重要工具，但它也并非没有缺点:从用于生产肥料的自然资源来看;到生产者底线的成本;过度使用造成的环境影响，包括水质下降和威胁海洋生物的水生死亡区。

农学和园艺学助理教授James Schnable说:“具有更好氮效率的植物将缓解肥料过量的一些问题，因为我们可以减少获得相同产量所需的氮量。”“这将帮助农民积极主动地减少化肥的使用，无论是为了省钱还是为了应对可能出台的环境法规。”

为了提高效率，该团队将基因组学、生物技术和自动化表型分型结合在一个以高粱为重点的三阶段研究计划中。谷物作物被认为对解决粮食不安全问题至关重要，因为它对水和氮的利用效率相对较高，而且在各种气候条件下都能茁壮成长。

首先，HudsonAlpha小组将梳理作物数据，以确定与氮利用有关的高粱关键基因网络，将它们确定为改变的目标。然后，Husker农学家Tom Clemente将使用先进的基因组编辑技术添加控制这些网络的基因变异，产生新的品种，并传递给Schnable和Nebraska的研究人员，生物系统工程助理教授Yufeng Ge和农艺学和园艺学助理教授Jinliang Yang。该小组将合作使用自动表型分析来分析新高粱品种的性状。

然后，Schnable将研究结果返回给HudsonAlpha团队，从而进一步锁定起作用的基因网络，循环再次开始。

Schnable说:“这个项目是创新的，因为我们正在闭合这个循环。”“关键是要有这种整合，你可以做出预测，进行编辑，在你看到发生了什么之后，回过头来，做出新的更好的预测。”

Schnable的工作被称为高通量表型分析，利用了位于内布拉斯加州创新校园温室创新中心的大学最先进的LemnaTec高通量植物表型分析系统。该系统通过一种基于机器人的过程，将植物传送带穿过几个360度成像室，彻底改变了捕捉植物物理和生化特性的过程，即表型。

这些功能强大的相机将在12到18周的生命周期内为改良高粱植株拍摄高分辨率图像。然后，软件将分析它们的生物量和氮含量，为基因组编辑是否成功地提高了氮效率提供线索。

Schnable说，表现型本身并不是一种新的做法。它能够在同一株植物的生命周期中周期性地监测它，而不需要对其进行物理破坏来进行测量，这使得高通量方法非常有价值。内布拉斯加州的设施特别适合研究高粱，高粱通常长到5到6.5英尺高——该大学的表型系统可以测量到8英尺高的植物，这使林肯成为世界上少数能够进行这种研究的地方之一。

Clemente通过CRISPR/Cas9为同样具有革命性的技术贡献了专业知识，CRISPR/Cas9是一种基因编辑技术，使科学家能够为植物细胞的基因添加新的变异。在过去的三年中，他的实验室一直在番茄、大豆、玉米、小麦和高粱等植物上使用这种工具，进行基因改变，以赋予可以整合到育种计划中的有益性状。

在这个项目中，Clemente的团队将引入在氮利用中起关键作用的基因变异。

“这些跨学科类型的研究环境创造了一个协同的环境，显著增加了资金投资的强劲回报的可能性，”Eugene W. Price生物技术杰出教授Clemente说。

该项目的教育部分侧重于帮助从高中到博士后水平的崭露头角的科学家获得植物科学技能。作为这项计划的一部分，来自阿拉巴马州贫困地区、几乎没有学术研究机会的本科生将在HudsonAlpha花一年时间学习农业基因组学的基础知识。内布拉斯加州将主办三个由nsf资助的本科生研究体验暑期项目，提供植物科学培训。

该项目是一个专注于Track-2的EPSCoR合作项目，由NSF的EPSCoR研究基础设施改进计划提供资金。EPSCoR，即刺激竞争性研究的既定计划，旨在改善在国家科学基金会总研究预算中占相对较小份额的辖区的研究基础设施。内布拉斯加州和阿拉巴马州是EPSCoR州。