2019-07-11 07:42:01
谷类作物的遗传突破有助于提高全球产量

克莱姆森大学的一个科学家团队在谷类作物衰老的遗传学方面取得了突破,有可能在气候变化时代对粮食安全的未来产生巨大影响。

这项合作研究探讨了玉米(a.k.a.玉米)和其他谷类作物中衰老过程中几乎不了解的遗传结构,该研究发表在植物细胞,这是植物科学的同行评审科学期刊之一。 Rajan Sekhon是科学学院遗传学和生物化学系的植物遗传学家和助理教授,他是题为“综合基因组规模分析识别玉米衰老的新基因和网络”的论文的主要撰稿人。

“衰老意味着'细胞或器官死于它所属的生物体的手中',”Sekhon说。 “它几乎发生在各处,甚至在动物身上。我们杀死了我们不需要的细胞。当秋天的天气变化时,我们在树上会有那些漂亮的秋天颜色。在秋天开始时,当植物意识到它们不能维持树叶,他们杀死他们的叶子。这完全是关于能源的经济。“

结果,叶子在显示颜色后死亡。从叶子中清除的能量储存在植物的树干或根部,用于在明年春天快速繁殖叶子。这对树木来说非常有意义。但对于其他一些可食用的植物,特别是玉米,水稻和小麦等谷类作物,情况则完全不同。

“这些作物非常谨慎,并且由农民以肥料的形式提供过量的营养素,”Sekhon说。 “不要过早死亡,叶子可以继续通过光合作用来制作食物。了解玉米等作物衰老的触发因素意味着科学家可以改变植物的方式,使饥饿的世界受益。”

Sekhon的研究生涯涉及分子遗传学,基因组学,表观遗传学和植物育种,于2014年成立了他的实验室,担任助理教授。他在玉米研究界广泛使用的“基因图谱”的开发中发挥了关键作用。他在顶级同行评审期刊上发表了多篇论文,研究复杂植物性状的调控。

“如果我们可以减缓衰老,这可以使植物长时间保持绿色 - 或者不会衰老 - ”Sekhon说。 “植物育种者一直在选择那种迟钝的植物,而没有完全了解衰老在分子水平上是如何起作用的。”

这些被称为“保持绿色”的植物不辜负他们的名字。它们保持绿色更长时间,产生更高的产量,并且在面对压力植物(包括干旱和炎热)的环境因素时更具弹性。

但即使存在绿色植物,对衰老的分子,生理和生化基础也几乎没有了解。衰老是一个复杂的特征,受到几个内部和外部因素的影响,并受到许多基因共同作用的调节。因此,现成的遗传方法无法完全解开这一神秘的过程。 Sekhon及其同事的突破是系统遗传学方法的结果。

Sekhon和其他研究人员研究了玉米保持绿色性状的自然遗传变异。该过程涉及培养400种不同的玉米类型,每种玉米类型基于DNA指纹(即基因型)在遗传上彼此不同,然后测量它们的衰老(即表型)。然后,该团队将每个近交系的“基因型”与其“表型”联系起来,以鉴定可能协调衰老的64个候选基因。

“实验的另一部分是采取绿色植物和非绿色植物,观察衰老过程中约40,000个基因的表达,”Sekhon说。 “我们的研究人员每隔几天查看一次样本,并询问哪些基因在特定时间段内获得了表达。这确定了600多个基因,这些基因似乎决定了植物是否会保持绿色。

“每种方法的一个重大问题是假阳性的发生,这意味着一些检测到的基因是吸虫,以及假阴性的例子,这意味着我们错过了一些因果基因。”

因此,Sekhon和他的同事们不得不煞费苦心地将两个大型实验的结果结合起来,使用“蒸汽遗传学”方法来鉴定一些高可信度的靶基因,这些基因可以进一步测试以证实它们在衰老中的作用。他们将数据集结合起来将该领域缩小到14个候选基因,并最终详细检查了两个基因。

“最显着的发现之一是糖似乎决定了衰老,”Sekhon说。 “当糖类没有从通过光合作用制成的叶子移开时,这些糖分子开始发出信号以引发衰老。”

然而,并非植物中发现的所有形式的糖都能发出信号。 Sekhon及其同事在该研究中发现的一个基因似乎将叶细胞中的复杂糖分解成较小的糖分子 - 六碳糖如葡萄糖和果糖 - 能够传递衰老信号。

“这是双重打击,”Sekhon说。 “我们不仅失去了那些能够喂养更多饥饿口腔的植物所产生的额外糖分。叶子中未使用的糖分开始衰老,同时阻止糖类合成过程。”

对粮食安全的影响巨大。这些植物制成的糖应转移到可用于食物的各种植物器官。

“我们发现该植物正在仔细监测种子的填充。糖的分配是衰老的关键因素。我们发现即使在美国种植的玉米品种中也存在大量的遗传变异”

一些植物填充种子,然后可以开始填充植物的其他部分。

“至少有一些绿色植物可以通过在茎中储存额外的能量来实现这一目标,”Sekhon说。 “当收获种子时,田间剩下的任何东西都称为秸秆。”

秸秆可用作动物饲料或生物燃料的来源。随着食品和能源需求的增加,人们越来越关注开发提供谷物和秸秆的两用作物。随着农田变得稀缺,后来衰老的植物变得越来越重要,因为它们每株植物产生更多的总能量。

本研究中鉴定的基因可能在其他谷类作物中发挥相同的作用,如水稻,小麦和高粱。 Sekhon说,下一步是使用突变体和转基因检查这些基因的功能。

“最终目标是帮助地球并养活不断增长的世界。随着气候日益恶化,土地和水资源日益恶化以及人口不断增加,粮食安全是人类面临的主要挑战。”Sekhon说。

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