结合基因分析的简单育种实验可以迅速发现促进更高产量的基因

根据瑞士苏黎世大学和Agroscope公司的Samuel Wuest及其同事11月29日发表在开放获取期刊《公共科学图书馆生物学》上的一项新研究，结合基因分析的简单育种实验可以迅速发现促进植物种群合作和更高产量的基因。这些结果有可能通过传统育种方法迅速提高作物产量。

　　

   

   

图:一个世纪的育种进步改进了玉米品种，使它们可以更有效地安置在高密度的田地里，从而提高了单位作物面积的产量。邻近的田地是瑞士传统玉米品种“莱茵塔勒Ribelmais”(左)和一个现代的优良品种(右)。    

资料来源:塞缪尔·韦斯特(CC-BY 4.0, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

根据11月29日发表的一项新研究，一个简单的育种实验，结合基因分析，可以迅速发现促进植物种群合作和更高产量的基因^th在开放存取期刊上公共科学图书馆生物学，由瑞士苏黎世大学和Agroscope的Samuel Wuest及其同事完成。这些结果有可能通过传统育种方法迅速提高作物产量。

在经典的进化理论中，个体之间相互竞争，那些拥有最具竞争优势基因的个体会创造出更多的后代，这些后代拥有同样的获胜基因。这给植物育种家带来了挑战，他们经常要选择合作的植物，而不是竞争的植物。在玉米或小麦的密集单作林分中，如果个体避免长得太高或叶展得太宽(20世纪中期的“绿色革命”)，整体产量可能会提高^th世纪在很大程度上依赖于向主要谷物中引入矮化等位基因)。

发现可能促进合作的等位基因(个体间不同的基因版本)是具有挑战性的，但作者设计了一个系统来揭示它们。根据博弈论，作者推断，最具合作精神的基因型在与同样具有合作精神的邻居相处时表现最好，但在面对自私的、竞争激烈的邻居时表现较差。他们用模式植物拟南芥来比较一株植物与另一株基因相似的个体(模拟单一栽培)生长时的表现，与一组“测试者”基因型生长时的表现，这些基因型的生长策略各不相同。通过测定每株植物的整体活力(以地上生物量衡量)和两种情况下生长的差异，他们可以看到哪些植物既能最大限度地提高快速生长的能力，又能最大限度地提高与基因相似的个体合作的能力，从而使它们的邻居也长得很好。

有了这些数据，他们利用已发表的全基因组多态性数据来寻找与合作特征相关的基因。他们发现，它与一小组连锁多态性关系最为密切，特别是一个基因上的一个次要等位基因。当携带这种小等位基因的植物被近距离种植时，它们在高密度生长时比携带相同位点的主等位基因的植物多生产15%的生物量。这种合作效应伴随着根部竞争的减少——相邻的植物可能会花费更少的能量侵入相邻的根区以获取养分。

韦斯特说，同样的比较策略可以用于发现任何可测量特征的合作等位基因。“这种变异一旦在作物中被识别出来，就可以迅速利用在现代育种项目中，并提供提高产量的有效途径。”

韦斯特补充说:“激发这项工作的想法并不新鲜，事实上许多想法在几十年前就已经形成了。然而，我们人类，最具合作精神的物种之一，也可以从使我们的作物更具有合作精神中获益，这一想法今天仍然吸引着我们。”