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“寶藏”基因助力玉米籽??焖倜撍?/h2>
發布時間:2021/1/23 發布者:管理員 文章來源:本站

研究人員在海南南繁基地種植的玉米試驗田 李文強供圖

實現籽粒機收是我國玉米產業發展的重要方向,而玉米成熟籽粒的含水量是決定籽粒機械化收獲的關鍵因素。

“玉米籽粒含水量屬于典型的數量性狀遺傳,控制其性狀的基因比較復雜,測定方法繁瑣,目前在基礎研究方面進展緩慢,也制約了脫水快玉米品種的選育進程?!比A中農業大學玉米團隊教授嚴建兵在接受《中國科學報》采訪時說。

近日,華中農業大學玉米團隊在《植物生物技術》雜志發表最新成果,揭示了玉米籽粒含水量動態變化的遺傳結構,并首次克隆了一個影響玉米籽粒脫水的主效基因GAR2,為選育快速脫水玉米提供寶貴的基因資源。

機械化收獲帶來的品種難題

“過去我們國家玉米收獲靠的是人工,農民到地里摘玉米穗,那時候勞動力成本很低。但現在我國農村勞動力成本大大增加,要提高玉米種植收益就得依靠機械化采收?!遍L期從事玉米研究的中國農業大學教授徐明良告訴《中國科學報》。

其中,玉米籽粒機械化直收是玉米生產十分重要的一個環節。而主要影響因素之一就是收獲時玉米籽粒含水量。

符合機收的籽粒含水量需要在25%以下,而我國大部分玉米品種收獲時籽粒含水量在30%~35% 之間。

論文共同通訊作者、華中農業大學副教授肖英杰介紹,玉米籽粒收獲時的含水量主要由生理成熟時籽粒含水量和成熟后脫水速率決定。

研究發現,籽粒成熟后脫水速率由環境因素主導,在含水量超過30%時,主要受溫度和空氣濕度影響。

實際上,靠田間長時間站桿脫水可以讓玉米籽粒含水量達到機收要求,然而,我國大部分玉米種植區都采取輪作制度,“收完玉米馬上要種下一茬作物,例如黃淮海地區要馬上種冬小麥,及時搶奪熱量,否則會嚴重影響小麥收成?!眹澜ūf。

不僅輪作區玉米來不及等到含水量下降就要采收,東北玉米種植區的成熟玉米也需要快速脫水,否則遇到霜凍或溫度過低,水分也無法下降到機收需求的水平。

而且,“額外晾曬或烘干,會增加不少人工和運輸成本”。嚴建兵認為,既然外部環境無法改變,那育種科學家就只好從玉米品種上著手,通過遺傳改良選育快速脫水玉米品種,適應當前機械化收獲需求是產業發展的重要訴求。

徐明良認為,要培育出符合我國玉米種植條件的品種,必須依靠國內科學家的力量。盡管我國已經引進了一些國外玉米品種,它們也能符合籽粒直收的條件,但這些品種的種植面積并不多,遠遠不能滿足大面積機收的需求。

只是,近十年來,我國農業科學家才開始研究如何培育出適合我國玉米機械化種植的品種。

嚴建兵告訴記者,美國的玉米機收品種已經經歷了100多年的選育歷程,因為美國玉米種植業一開始就要依靠機械采收。我國的相關研究起步較晚,是由于我國農業對機械化需求是近十年來才出現的。

要在短時間內培育出符合玉米籽粒直收品種,成為了科學家的一個難題。

“挖掘”基因組里的“寶藏”

早期有研究認為,玉米籽粒生理成熟時含水量受遺傳因素控制。

肖英杰介紹,由于不同玉米基因型的生理成熟期差異較大,早期研究籽粒含水量,主要通過測量烘干后生物量差異來間接測量含水量,方法繁瑣,耗時耗力,無法直接指導育種應用,也很難了解籽粒生理成熟過程中含水量的動態變化。

此前,一直沒有玉米籽粒含水量相關基因克隆的報道,基礎研究相對滯后。

玉米水分調控基因是數量性狀基因,也就是說控制該性狀的基因數目較多,每個基因發揮的效應都不大,所以要找到主效基因或者所有調控該性狀的基因是一項非常復雜的研究。

“我們依靠非常好的玉米材料和高密度的標記手段解決了這個問題?!眹澜ūf。

此前,嚴建兵團隊以其自身牽頭收集并被國內外同行廣泛使用的玉米關聯群體為基礎,整合了該群體的基因組、轉錄組、表型組、代謝組、表觀基因組、遺傳變異以及遺傳定位結果等多組學大數據,構建了玉米屬綜合數據庫ZEAMAP。

論文第一作者、華中農業大學李文強介紹,利用上述玉米關聯群體507份自交系,嚴建兵團隊在全國五個典型環境布置了田間試驗。借助手持式水分測定儀連續動態監測玉米籽粒含水量,通過人為控制授粉時間,保證測定時間的統一性,每6天測量一次,連續測量5次,累計收集了超過75萬個含水量數據點。通過對數據的比較分析,建立了相對簡單,可操作性的玉米籽粒田間水分實時檢測技術。

嚴建兵把這個過程比喻成挖掘“寶藏”。藏在玉米基因組里的籽粒水分控制基因就像一粒粒寶石。

首先,研究團隊需要確認在什么地方肯定能“挖”到“寶石”?!拔覀儤嫿ǖ挠衩钻P聯群體507份自交系涵蓋了栽培玉米80%以上的遺傳多樣性,這里面含有絕大多數的玉米重要性狀的基因,包括水分控制基因?!?/span>

接著,研究團隊就要找到好的方法“挖”出“寶石”?!斑@就好像在北京到武漢的直線上肯定有寶石,以前每隔10公里挖一下,現在我們每隔1公里挖一下,挖到寶石的概率就會大大提高?!痹谘芯恐?,“挖掘”距離是由此前獲得的125萬個高質量的單核苷酸多態性(SNP)標記決定的,也就是說,他們在玉米基因組中的“挖掘點”多達125萬個。

結合上述田間實驗得到的不同時空下的玉米籽粒含水量表型數據,在全基因組水平,他們共鑒定到71個影響籽粒含水量的數量性狀位點(QTL)?!巴诘搅?1顆寶石?!眹澜ūf。

育種之路漫漫

進一步,他們發現,這些數量性狀位點之間,以及數量性狀位點和環境之間,都存在顯著的相互作用。

嚴建兵解釋說,單個的數量性狀位點往往要和其他位點結合起來發揮作用,才能調控下游基因或分子機制,從而影響玉米籽粒水分含量;同時,一些數量性狀位點對環境溫度和濕度發生響應,在不同環境下被激活,從而啟動后續的分子機制,也會調控不同時間段的玉米籽粒水分含量 。

“這也暗示,育種家對籽粒含水量的改良,需要充分考慮基因與基因互作,以及基因—環境互作關系,同時還要考慮表型測定方法和時間節點?!眹澜ūf。

通過全基因組關聯分析,他們在玉米7號和9號染色體分別檢測到一個主效數量性狀位點。結合進一步分析,該團隊提名了兩個候選基因,并且驗證了其中一個候選基因的功能。

該基因編碼一個gar2相關的核仁蛋白,因此被命名為GAR2。

李文強介紹,實驗發現,該基因的功能缺失突變體能提高籽粒含水量和減緩脫水速率,表明GAR2是玉米籽粒含水量的負調控因子。

“這是首次克隆到調控玉米籽粒水分的數量性狀位點?!毙烀髁颊f,嚴建兵團隊后續還將對這一基因的分子調控機制進行深入研究。如果能找到該位點的自然變異植株,開展進一步驗證,將有利于深入了解相關基因的調控機制。

這項工作將為下一步培育快速脫水玉米品種,滿足國家和產業的重大需求提供可行的技術路徑和寶貴的基因資源。

“當然,這是目前發現的第一個玉米籽粒水分調控基因,后續需要在自然界中找到脫水快、含水量低的優良等位變異,闡明其分子調控機理,就能夠更好地運用到實際生產中?!毙烀髁颊f。

相關論文信息:https://doi.org/10.1111/pbi.13541

《中國科學報》2021年1月18日

責任編輯:劉錚

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