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

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。

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。

 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