挖掘玉米“高產(chǎn)基因”

來(lái)源： 中國(guó)科學(xué)報(bào)

挖掘玉米“高產(chǎn)基因”

科研人員利用基因編輯技術(shù)敲除功能基因或優(yōu)化啟動(dòng)子，創(chuàng)制了高產(chǎn)玉米新種質(zhì)。

糧食安全是“國(guó)之大者”。提高水稻、玉米、小麥等主糧作物的產(chǎn)量，是保障國(guó)家重大需求——口糧安全的關(guān)鍵所在。

為進(jìn)一步提高我國(guó)主糧作物的產(chǎn)量，過(guò)去10 年間，在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“主要農(nóng)作物產(chǎn)量性狀的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析”持續(xù)資助下，科學(xué)家圍繞水稻、玉米和小麥產(chǎn)量性狀的分子遺傳機(jī)理開(kāi)展了科研攻關(guān)。

10年來(lái)，面向我國(guó)糧食安全的重大需求和生命科學(xué)的前沿領(lǐng)域，在該重大研究計(jì)劃的支持下，科學(xué)家解析了影響主要農(nóng)作物產(chǎn)量性狀的生長(zhǎng)發(fā)育重要生物學(xué)過(guò)程的分子遺傳及生理生化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)制了一批新的遺傳種質(zhì)，利用新育種方法培育出若干個(gè)新品種，為我國(guó)主要農(nóng)作物高產(chǎn)品種培育提供了理論和技術(shù)支撐。

玉米的單株產(chǎn)量由玉米的每穗籽粒數(shù)目和穗粒重共同決定，挖掘控制玉米產(chǎn)量的“高產(chǎn)基因”，解析穗行數(shù)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，可使玉米單產(chǎn)得到大幅度提高，對(duì)保障國(guó)家糧食安全有重大價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

在國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃“主要農(nóng)作物產(chǎn)量性狀的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析”支持下，在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張憲省等責(zé)任專(zhuān)家指導(dǎo)下，研究人員綜合利用農(nóng)學(xué)與信息學(xué)，完成了調(diào)控玉米穗行數(shù)關(guān)鍵基因的克隆，并針對(duì)這些基因成功解析穗行數(shù)形成的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

研究人員首先鎖定候選基因KRN2，發(fā)現(xiàn)其對(duì)穗行數(shù)具有負(fù)調(diào)控作用。隨后，他們通過(guò)表達(dá)分析、原生質(zhì)體瞬時(shí)表達(dá)實(shí)驗(yàn)、核苷酸多態(tài)性分析等多項(xiàng)先進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，最終確定是由于KRN2上游非編碼區(qū)在玉米馴化和改良過(guò)程中受到選擇導(dǎo)致其表達(dá)量降低，從而提高玉米的穗行數(shù)。

基于上述結(jié)論，研究人員通過(guò)多年多點(diǎn)的田間試驗(yàn)、表型分析發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，KRN2敲除突變體的穗行數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重等產(chǎn)量相關(guān)性狀均有所提高，產(chǎn)量比野生型分別提高10%左右；同時(shí)，KRN2突變體不引起花期、株型、葉型、雄穗、穗長(zhǎng)、百粒重、籽粒體積等其他農(nóng)藝性狀的明顯變化。

同時(shí)，研究人員解析了玉米穗行數(shù)形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)玉米控制籽粒數(shù)目的主效遺傳位點(diǎn)KRN4，利用全基因組關(guān)聯(lián)分析、圖位克隆等手段，證實(shí)KRN4位于控制玉米雌穗發(fā)育重要基因Unbranched3（UB3）的下游，并且遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)UB3基因的表達(dá)。與KRN4互作的UB3則通過(guò)綁定LOG1和ARRs基因的啟動(dòng)子區(qū)域調(diào)控LOG1和ARRs基因的表達(dá)，而LOG1和ARRs主要通過(guò)細(xì)胞分裂素的合成信號(hào)途徑控制玉米穗行數(shù)的數(shù)量變異。

進(jìn)一步研究表明，KRN4 作為一個(gè)UB3啟動(dòng)子的遠(yuǎn)程增強(qiáng)子，通過(guò)染色質(zhì)互作和招募UB2為中心的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體調(diào)控UB3在雌穗分生組織中的表達(dá)。這一結(jié)果為基因間區(qū)參與數(shù)量性狀的精細(xì)調(diào)控提供了新的證據(jù)。

此外，研究人員還鑒定到一個(gè)以不同方式影響多個(gè)分生組織的突變基因gif1，以及控制玉米穗長(zhǎng)和花數(shù)的乙烯生物合成酶ZmACO2等。

《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2023-05-29 第4版 自然科學(xué)基金)