利用玉米“大粒” 基因-Maize BIG GRAIN1 显著提高玉米籽粒产量

植物科学最前沿  |   2020-05-04 18:36

来源:植物科学最前沿

原标题:PBJ:美国陶氏杜邦CORTEVA 公司利用玉米“大粒” 基因-Maize BIG GRAIN1 显著提高玉米籽粒产量

小麦、水稻与玉米是世界最重要的三大粮食作物,而近些年来,玉米的重要性逐渐凸显,目前全球范围内种植面积、范围、产量等均远超其他谷类作物,已经成为世界上第一大粮食作物,是人类赖以生存的基本食物来源和主要的动物饲料原料。玉米的种植和生产对环境条件要求较高,而逐年间的气候差异造成玉米产量的波动较大,由于大型天灾的发生不可预估,有些重灾年份会造成大幅度减产甚至绝收,不但造成农民的巨大经济损失,也会对国家粮食安全造成巨大威胁。


在努力缓解环境影响的同时,全球人口不断增长,经济发展的需求,土地和水的竞争,农业在满足全球对食品、饲料、纤维和燃料的需求方面变得越来越紧张。遗传改良能够提高作物产量,但对于包括玉米在内的许多主要作物来说,遗传增益速度已经放缓,因此挖掘产量相关基因,对于提高作物产量会产生积极影响。然而在以往研究中,研究者往往使用模式作物,很少在农艺相关的田间条件下测量作物单位面积产量。2020年5月1日,植物学杂志Plant Biotechnology Journal在线发表了陶氏杜邦CORTEVA AGRISCIENCE公司Carl R. Simmons的题为“Maize BIG GRAIN1 Homolog Overexpression Increases Maize Grain Yield”的研究论文,研究发现,玉米中超量表达ZM-BG1H1基因能在一系列田间环境下增加玉米籽粒产量,同时他们还表明其他BG1同源基因也可能具备提高玉米产量的功能。


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在前人研究中,超量表达Os-BG1家族中成员基因,能提高拟南芥和水稻产量。作者通过对玉米中BG1家族进行分析,根据蛋白的相似性,和基因表达模式分析,在玉米中找到了与水稻基因Os-BG1最为同源的基因ZM-BG1H1。分析表明,ZM-BG1H1基因座存在多个等位基因结构变异,但这些等位基因之间在蛋白质功能、启动子结构或基因表达方面都没有明显的功能差异。

通过异源超量表达包含ZM-GOS2组成型启动子的ZM-BG1H1基因,能够提高杂交玉米田间单产。在ZM-BG1H1超表达事件(E1-E4)为T3代单交种背景下,多环境下进行了两年多时间玉米籽粒产量田间试验。同时在多个独立的事件中,优良的商业杂交玉米种质在杂合状态下都能增产,且每个事件的产量增加水平相似,表明ZM-BG1H1-OE的增产效应是显性的,可重复的。在多种环境中,从充分浇水的最佳条件到水分胁迫条件,ZM-BG1H1-OE增产效果可以在各种环境中广泛实现,大大提高了其应用范围。

与其他增产基因功能不同的是,ZM-BG1H1OE在开花前,无论是通过田间遥感试验还是通过直接观察,幼苗在萌发、向重性、、冠层覆盖度或绿度、还是植株形态,株高、叶角或分蘖等方面均没有显著差异。而从开花期开始,无论是产量试验还是观测小区,株高(2.6%~3.2%)和穗位高(1.5%~2.1%)均有增加,且后期穗粒数和质量均有增加。

通常情况下,调节基因和植物激素相关基因都有一个表达水平的理想区域,以培育出健康、高效的植物,在优良种质中更是如此。ZM-BG1H1异源表达保护了植物的健康,提高了产量,表明ZM-BG1H1基因产物的有益表达范围相当广泛。同时作者预测其他玉米基因家族成员,特别是ZM-BG1H2(3)基因对,以及许多其他种类的BG1同源基因,可能在玉米中发挥类似的增产作用。

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 图1. 超量表达ZM-BG1H1与对照田间增产比较

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13392

来源:frontiersin 植物科学最前沿

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyOTY2NDYyNQ==&mid=2247494773&idx=4&sn=6cd1f8321a63b59359093103fa100874&chksm=e8bd9e6bdfca177db9bec5587d0bdb7feb32fee476c2ec877d8f5b0775d55fed1626e64462b4#rd

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