《Nature | 玉米智能冠层结构提高高密度产量》

  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-06-14
  • 2024年6月12日,中国农业大学田丰及李继刚共同通讯在Nature 在线发表题为Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities的研究论文,该研究首次在玉米中鉴定到“智慧株型”基因lac1,揭示了光信号动态调控lac1促使玉米适应密植的分子机制,建立了“一步成系”的单倍体诱导编辑技术体系。

    玉米(Zea mays)是世界上产量最高的作物,是人类食物、牲畜饲料和工业材料的主要来源。在过去的几十年里,种植密度的持续增加对美国产量的提高起了关键作用—从20世纪30年代的每公顷3万株增加到目前的每公顷8万株。包括中国在内的其他国家也出现了类似的趋势。这一成功在很大程度上归功于耐高密度玉米品种的培育。

    优化植株结构是玉米适应密集种植的先决条件。叶角是决定植物构型的主要性状。直立叶片角度减少了相互遮阳,增加了太阳辐照穿透,从而提高了群体水平上的光合效率,最终提高了密植条件下的籽粒产量。在当代玉米育种中选择了更多的直立叶片。在典型的玉米田密集的冠层中,不同冠层的叶子接受不同质量和数量的阳光,这需要不同的叶片方向来最大限度地拦截光和光合作用。因此,适合密集种植的理想植物结构不是简单地要求在整个冠层上均匀的直立叶片角度,而是需要在不同冠层上优化叶片角度的分布。Ort等人(2015)提出了一种被称为“智能树冠”的理想型,其中包括优化的植物结构,以及叶片中改善的生化特征,如不同Rubisco催化能力和光系统。从结构上看,智能冠层的上冠层叶片直立,中冠层叶片直立较少,下冠层叶片相对扁平。这样的树冠结构将允许光线在密集的树冠内更均匀地传播,最大限度地减少上部叶子的光饱和和下部叶子的光缺乏。

    突变体分析、数量性状位点(QTL)克隆和比较基因组研究已经鉴定出一系列控制玉米叶片角度的基因。然而,这些叶角基因大多具有冠层效应,下叶、中叶和上叶的叶角都以相似的方式受到影响。然而,迄今为止还没有在玉米中发现能够在不同冠层上不同地调节叶片角度以产生类似冠层的智能植物结构的基因。此外,密集的种植导致树冠遮荫,触发避荫反应。1992年,双子叶植物拟南芥遮荫诱导茎伸长的分子调控机制的研究取得了实质性进展。相比之下,作为决定世界上产量最高的作物冠层结构的主要性状,叶片角度是如何随着种植密度的增加而动态调节的,这在很大程度上仍然是未知的。

    该研究以智能冠层1号(lac1)为研究对象,确定了其上部叶片直立,中部叶片直立较少,下部叶片相对平坦的自然突变体叶片角度结构。在密植条件下,Lac1提高了光合能力,减弱了避荫反应。lac1编码一种油菜素类固醇C-22羟化酶,主要调控上部叶角。光敏色素A光感受器在阴暗处积累,通过26S蛋白酶体与转录因子RAVL1相互作用,促进其降解,从而减弱RAVL1对lac1的激活,降低油菜素内酯水平。这最终降低了密田上叶角。大规模田间试验表明,lac1在高密度条件下可提高玉米产量。为了快速将lac1引入到育种种质中,研究人员转化了一个单倍体诱导剂,并从20个不同的自交系中恢复了纯合子lac1编辑。所测双单倍体均获得智能冠状植物型结构。该研究为玉米品种提供了一个重要的目标和加速策略,其中lac1为玉米智能冠层的进一步工程提供了遗传基础。

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    • 编译者:zhangyi8606
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    • 长期以来,基因工程的支持者们一直坚信,它将有助于满足全球日益增长的粮食需求。然而,尽管已经培育出许多抗虫害和抗除草剂的转基因作物,科学家在促进农作物产量方面却一直难有作为。如今,研究人员首次证明,通过改变一种促进植物生长的基因,他们终于可以放心地将玉米产量提高10%,而不用管生长条件是好是坏。 “这太不可思议了。”并未参与该项研究的美国艾姆斯市爱荷华州立大学分子生物学家Kan Wang说。她表示,除了提高玉米产量外,新的转基因技术还将激励研究人员努力提高其他农作物的产量。 全世界种植最广泛的转基因作物(包括大豆、玉米和棉花)都是通过一些相对简单的基因改良创造出来的。例如,通过将细菌的一个基因添加到特定的农作物品种中,科学家赋予了它们合成一种可以杀死多种昆虫的蛋白质的能力。另一种简单的基因操作结果可以使农作物抵抗草甘膦或其他除草剂,这样做的一个好处是让农民可以在不侵蚀土壤的前提下除掉杂草。还有一种操作可以在干旱时保护农作物。但是,由于植物的生长过程涉及了许多复杂的遗传因素,因此想要培育出在良好条件下能够产出更多粮食的农作物,难度很大。 从2000年开始,世界各地的转基因公司开始认真筛选能够提高农作物产量的单个基因。然而只有少数经过鉴定的基因显示出了希望,并且由于成功率低,许多公司已经减少或停止筛选与农作物产量有关的基因。 但是Corteva农业科学公司(一家位于特拉华州威明顿的化学和种子公司)的研究人员决定研究那些像总开关一样影响农作物生长和产量的基因。 研究人员选择了在许多植物中常见的一类名为MADS-box基因,然后在其中选择了一种基因(zmm28)来改变玉米植株。研究调节发育的基因的挑战在于确保它们在正确的时间和正确的组织类型中开启了正确的数量。参与领导这项研究的Corteva农业科学公司的植物生理学家Jeff Habben说,如果基因过于活跃,“很容易把植物搞得一团糟”。 研究小组的目标是使zmm28与一个新的启动子融合,后者是一段控制基因激活时间的脱氧核糖核酸。在尝试了十几次之后,他们找到了一种可靠的方法。 通常,当玉米开始开花时,zmm28就会启动。而增加的启动子能够比自然发生更早地启动zmm28,并且在开花后继续促进基因的有益作用。 “如果你让基因工作得更努力、更长久,你就能让植物表现得更好。”Wang说。 研究人员在48种商用玉米中测试了增强基因的表现,这些玉米被称为杂交玉米,通常用于饲养牲畜。在2014年至2017年的美国玉米种植区田间试验中,研究人员发现,转基因杂交作物的产量通常比对照组作物多3%至5%。 研究小组本周在美国《国家科学院院刊》上发表报告称,有些玉米的产量增加了8%至10%。同时不管生长条件是好是坏,这种好处都是存在的。 “这是转基因作物在田间环境中对产量发挥实际作用的最好例子之一。”英国哈彭登市洛桑研究所农作物科学家Matthew Paul说。 导致玉米增产的原因有几个。首先,经过基因改造的植物的叶子要稍大一些,从而使植物将阳光转化为糖分的能力提高了8%到9%。 “这种增长确实是一件大事。”Corteva农业科学公司植物生理学家Jingrui Wu说,因为通过基因工程很难改善光合作用。 同时这些植物在利用氮的效率方面也提高了16%到18%。氮是一种重要的土壤营养物质,由于复杂的遗传因素,使其成为植物育种家难以控制的另一种特性。 比利时佛兰德斯VIB研究所分子生物学家Dirk Inze说:“从商业角度来说,这看起来很有希望。”Corteva农业科学公司已经向美国农业部(USDA)申请批准新的高产杂交品种。(虽然zmm28及其启动子在玉米中自然存在,但它们是使用被USDA监管的一种生物技术配对的。) Habben估计,这项新技术大概需要6到10年的时间才能获得世界各国的正式批准。Inze说,相关的调控基因很有可能提高其他谷物的产量。 玉米的大规模田间示范“强化了我们的信念,即如果我们处理得当,内在产量是可以提高的”。Wang说,“这确实会给人们带来灵感。” 相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.1902593116
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