具有正常CLV基因活性的未修飾的玉米穗（左1）長(zhǎng)滿規(guī)則的籽粒。CLV基因活性為零（左2），玉米穗軸縮短，籽粒不規(guī)則排列，并且產(chǎn)量降低。通過(guò)啟動(dòng)子編輯降低該基因的活性（左3）可讓籽粒和產(chǎn)量增加，而增加基因活性（左4）則降低籽粒和產(chǎn)量。劉磊供圖
玉米的穗大小對(duì)產(chǎn)量至關(guān)重要，而穗大小在很大程度上取決于早期發(fā)育中干細(xì)胞產(chǎn)生能夠結(jié)籽的小花。
2月23日，《自然—植物》在線發(fā)表了中外科學(xué)家合作的玉米籽粒研究的最新進(jìn)展。科學(xué)家首次在玉米這一全球產(chǎn)量最高的主糧作物中實(shí)現(xiàn)了通過(guò)編輯啟動(dòng)子而改變產(chǎn)量的策略。這為培育優(yōu)良高產(chǎn)的玉米新品種，以及其他主糧作物的增產(chǎn)提供了一個(gè)有價(jià)值的途徑。
弱突變體恰到好處
現(xiàn)代玉米的馴化和改良起源于約10000年前，玉米野生種大芻草經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期馴化選擇，演化為玉米地方品種，再經(jīng)過(guò)約150年的遺傳改良發(fā)展出適應(yīng)性好、籽粒產(chǎn)量高的優(yōu)良玉米品系。
論文第一作者、美國(guó)冷泉港實(shí)驗(yàn)室博士后劉磊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，玉米的產(chǎn)量性狀受到強(qiáng)烈選擇，野生種大芻草果穗僅有數(shù)十粒籽粒，而現(xiàn)代玉米果穗則多達(dá)數(shù)百粒。“提升玉米單穗的籽粒數(shù)可顯著提升玉米的產(chǎn)量。”
玉米果穗籽粒數(shù)目，是在雌花序發(fā)育早期形成和決定的。發(fā)育過(guò)程中，雌花序分生組織持續(xù)分化小穗分生組織的能力決定了玉米果穗上最終的每穗行數(shù)、行粒數(shù)等產(chǎn)量性狀。因此，提升玉米花序分生組織活性，理論上可增加果穗籽粒數(shù)目，提升產(chǎn)量。
玉米果穗籽粒數(shù)目，是在果穗發(fā)育早期形成和決定的。劉磊供圖
論文通訊作者、冷泉港實(shí)驗(yàn)室教授David Jackson想通過(guò)增加每個(gè)玉米穗的粒數(shù)來(lái)提高產(chǎn)量。他所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事玉米干細(xì)胞活性和玉米籽粒數(shù)目的研究。
他們發(fā)現(xiàn)了一系列控制玉米干細(xì)胞的CLV基因，這是約束干細(xì)胞活性的關(guān)鍵基因。2013年，他們利用化學(xué)誘變技術(shù)，在CLV基因突變體中獲得了一些單堿基突變的弱突變體。
論文作者、中國(guó)農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃研究所研究員吳慶鈺告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，所謂弱突變體可以理解為基因活性適當(dāng)降低。普通的CLV基因敲除突變體表現(xiàn)為干細(xì)胞活性極高，雖然玉米果穗增粗，但由于分生組織過(guò)度增殖，導(dǎo)致果穗發(fā)育異常，因而產(chǎn)量顯著降低；而弱突變體的基因活性剛剛好，表現(xiàn)為果穗形態(tài)正常，但籽粒數(shù)目顯著提升。
玉米和其他植物類似，維持花序分生組織（干細(xì)胞）生長(zhǎng)和分化的經(jīng)典途徑是CLV-WUS負(fù)反饋信號(hào)通路，敲除clavata基因會(huì)打破此信號(hào)通路平衡，表現(xiàn)為干細(xì)胞過(guò)度增殖。劉磊供圖
當(dāng)時(shí)，基因編輯技術(shù)尚未出現(xiàn)，弱突變體的獲得是隨機(jī)的。他們希望通過(guò)更精確的技術(shù)人為“創(chuàng)制”出這種產(chǎn)量更高的弱突變體。
避開(kāi)基因本身，給啟動(dòng)子開(kāi)刀
強(qiáng)大的基因編輯技術(shù)可以加快人為創(chuàng)制的過(guò)程。
“很多人以非常簡(jiǎn)單的意義使用基因編輯技術(shù)——只是破壞基因或完全敲除基因。但是我們有了一個(gè)新的想法，對(duì)該基因的啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)行基因編輯修飾。這就是產(chǎn)生非常有趣的結(jié)果的原因，我們可以通過(guò)微調(diào)基因的表達(dá)而獲得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的突變。”Jackson帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)使用了這種高度針對(duì)性的技術(shù)來(lái)增加玉米粒的數(shù)量。他們也是最早將CRISPR基因編輯技術(shù)用于玉米復(fù)雜基因組研究的實(shí)驗(yàn)室之一。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張祖新向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》解釋道，基因內(nèi)部的編輯往往會(huì)導(dǎo)致基因本身的功能部分或完全喪失，而啟動(dòng)子的編輯只是對(duì)基因的表達(dá)水平或表達(dá)模式進(jìn)行微調(diào)。在這項(xiàng)最新成果中，對(duì)玉米CLV基因啟動(dòng)子的編輯，能夠保留CLV基因及其編碼蛋白的功能，因而，玉米花序可以正常發(fā)育，不會(huì)導(dǎo)致穗型改變。
“不直接改變基因，而是通過(guò)改變基因的啟動(dòng)子，從而精細(xì)的調(diào)控基因表達(dá)，這一思路非常巧妙。”張祖新說(shuō)。
劉磊介紹，在這項(xiàng)研究中，一些通過(guò)啟動(dòng)子編輯獲得的弱突變體，可一定程度的提升花序分生組織的大小，進(jìn)而顯著提升數(shù)個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀及單穗的籽粒產(chǎn)量，例如果穗增粗、穗行數(shù)增加、單穗粒數(shù)增加，從而顯著提升產(chǎn)量。
可資借鑒的新策略
此外，他們還發(fā)現(xiàn)了第二種提高產(chǎn)量的策略。玉米CLV基因的同源基因共有50個(gè)，往往具有功能冗余的特性，即一個(gè)同源基因無(wú)效了，另一個(gè)互補(bǔ)的同源基因表達(dá)量上調(diào)，可以彌補(bǔ)前者的功能。“對(duì)一些關(guān)鍵基因的互補(bǔ)基因同時(shí)進(jìn)行敲除，也可以獲得提高產(chǎn)量的等位基因。”吳慶鈺說(shuō)。
劉磊打了一個(gè)比方，通俗的講，啟動(dòng)子編輯策略，就像是干擾籃球比賽中對(duì)手的主力球員，例如讓其體能不足；而遺傳補(bǔ)償策略更像是干擾對(duì)手主力球員的替補(bǔ)，讓其不能上場(chǎng)替換主力球員。
由于玉米基因組很復(fù)雜。CLV家族的50個(gè)相關(guān)基因，啟動(dòng)子區(qū)域因基因而異。啟動(dòng)子的哪些部分對(duì)于基因表達(dá)最重要，尚不清楚。
劉磊說(shuō)：“我們基本上隨機(jī)地靶向啟動(dòng)子區(qū)域。我們不知道啟動(dòng)子的哪一部分很重要。因此，下一步，我們可能將更多地集中于確定啟動(dòng)子的哪一部分至關(guān)重要。這將會(huì)使啟動(dòng)子編輯更高效，從而獲得更好的等位基因，產(chǎn)生更多的穗粒或更大的穗。”
張祖新說(shuō)，這項(xiàng)工作的結(jié)論可以給包括主糧作物小麥和水稻在內(nèi)的作物產(chǎn)量改良提供可資借鑒的思路。
Jackson認(rèn)為，他們的策略可廣泛應(yīng)用于其他作物。控制作物產(chǎn)量、抗性等重要性狀的等位基因往往是在數(shù)量上改變基因的表達(dá)，因此編輯啟動(dòng)子區(qū)域可以人為的優(yōu)化目標(biāo)基因的表達(dá)量，優(yōu)化其對(duì)產(chǎn)量、抗性等的遺傳效應(yīng)，達(dá)到提升產(chǎn)量、抗性等的目標(biāo)。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00858-5
