作者:李晨 来源:中国科学报 发布时间:2021/2/23 11:54:17
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“编辑”启动子:恰到好处的玉米增产策略

 

具有正常CLV基因活性的未修饰的玉米穗(左1)长满规则的籽粒。CLV基因活性为零(左2),玉米穗轴缩短,籽粒不规则排列,并且产量降低。通过启动子编辑降低该基因的活性(左3)可让籽粒和产量增加,而增加基因活性(左4)则降低籽粒和产量。刘磊供图

 

玉米的穗大小对产量至关重要,而穗大小在很大程度上取决于早期发育中干细胞产生能够结籽的小花。

2月23日,《自然—植物》在线发表了中外科学家合作的玉米籽粒研究的最新进展。科学家首次在玉米这一全球产量最高的主粮作物中实现了通过编辑启动子而改变产量的策略。这为培育优良高产的玉米新品种,以及其他主粮作物的增产提供了一个有价值的途径。

 

弱突变体恰到好处

现代玉米的驯化和改良起源于约10000年前,玉米野生种大刍草经过长期驯化选择,演化为玉米地方品种,再经过约150年的遗传改良发展出适应性好、籽粒产量高的优良玉米品系。

论文第一作者、美国冷泉港实验室博士后刘磊告诉《中国科学报》,玉米的产量性状受到强烈选择,野生种大刍草果穗仅有数十粒籽粒,而现代玉米果穗则多达数百粒。“提升玉米单穗的籽粒数可显著提升玉米的产量。”

玉米果穗籽粒数目,是在雌花序发育早期形成和决定的。发育过程中,雌花序分生组织持续分化小穗分生组织的能力决定了玉米果穗上最终的每穗行数、行粒数等产量性状。因此,提升玉米花序分生组织活性,理论上可增加果穗籽粒数目,提升产量。

玉米果穗籽粒数目,是在果穗发育早期形成和决定的。刘磊供图

 

论文通讯作者、冷泉港实验室教授David Jackson想通过增加每个玉米穗的粒数来提高产量。他所带领的团队长期从事玉米干细胞活性和玉米籽粒数目的研究。

他们发现了一系列控制玉米干细胞的CLV基因,这是约束干细胞活性的关键基因。2013年,他们利用化学诱变技术,在CLV基因突变体中获得了一些单碱基突变的弱突变体。

论文作者、中国农科院农业资源与区划研究所研究员吴庆钰告诉《中国科学报》,所谓弱突变体可以理解为基因活性适当降低。普通的CLV基因敲除突变体表现为干细胞活性极高,虽然玉米果穗增粗,但由于分生组织过度增殖,导致果穗发育异常,因而产量显著降低;而弱突变体的基因活性刚刚好,表现为果穗形态正常,但籽粒数目显著提升。

玉米和其他植物类似,维持花序分生组织(干细胞)生长和分化的经典途径是CLV-WUS负反馈信号通路,敲除clavata基因会打破此信号通路平衡,表现为干细胞过度增殖。刘磊供图

当时,基因编辑技术尚未出现,弱突变体的获得是随机的。他们希望通过更精确的技术人为“创制”出这种产量更高的弱突变体。

 

避开基因本身,给启动子开刀

强大的基因编辑技术可以加快人为创制的过程。

“很多人以非常简单的意义使用基因编辑技术——只是破坏基因或完全敲除基因。但是我们有了一个新的想法,对该基因的启动子区域进行基因编辑修饰。这就是产生非常有趣的结果的原因,我们可以通过微调基因的表达而获得农业生产所需的突变。”Jackson带领团队使用了这种高度针对性的技术来增加玉米粒的数量。他们也是最早将CRISPR基因编辑技术用于玉米复杂基因组研究的实验室之一。

华中农业大学教授张祖新向《中国科学报》解释道,基因内部的编辑往往会导致基因本身的功能部分或完全丧失,而启动子的编辑只是对基因的表达水平或表达模式进行微调。在这项最新成果中,对玉米CLV基因启动子的编辑,能够保留CLV基因及其编码蛋白的功能,因而,玉米花序可以正常发育,不会导致穗型改变。

“不直接改变基因,而是通过改变基因的启动子,从而精细的调控基因表达,这一思路非常巧妙。”张祖新说。

刘磊介绍,在这项研究中,一些通过启动子编辑获得的弱突变体,可一定程度的提升花序分生组织的大小,进而显著提升数个产量相关性状及单穗的籽粒产量,例如果穗增粗、穗行数增加、单穗粒数增加,从而显著提升产量。

 

可资借鉴的新策略

此外,他们还发现了第二种提高产量的策略。玉米CLV基因的同源基因共有50个,往往具有功能冗余的特性,即一个同源基因无效了,另一个互补的同源基因表达量上调,可以弥补前者的功能。“对一些关键基因的互补基因同时进行敲除,也可以获得提高产量的等位基因。”吴庆钰说。

刘磊打了一个比方,通俗的讲,启动子编辑策略,就像是干扰篮球比赛中对手的主力球员,例如让其体能不足;而遗传补偿策略更像是干扰对手主力球员的替补,让其不能上场替换主力球员。

由于玉米基因组很复杂。CLV家族的50个相关基因,启动子区域因基因而异。启动子的哪些部分对于基因表达最重要,尚不清楚。

刘磊说:“我们基本上随机地靶向启动子区域。我们不知道启动子的哪一部分很重要。因此,下一步,我们可能将更多地集中于确定启动子的哪一部分至关重要。这将会使启动子编辑更高效,从而获得更好的等位基因,产生更多的穗粒或更大的穗。”

张祖新说,这项工作的结论可以给包括主粮作物小麦和水稻在内的作物产量改良提供可资借鉴的思路。

Jackson认为,他们的策略可广泛应用于其他作物。控制作物产量、抗性等重要性状的等位基因往往是在数量上改变基因的表达,因此编辑启动子区域可以人为的优化目标基因的表达量,优化其对产量、抗性等的遗传效应,达到提升产量、抗性等的目标。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41477-021-00858-5

 

 
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