新发现重要玉米转录因子 提高根性能 培育耐干旱/低氮的的玉米 缓解粮食不安全

宾夕法尼亚州立大学的一项研究发现一个重要的新的玉米转录因子，可用于培育能够抵御干旱和低氮土壤条件的玉米，缓解全球粮食不安全。

　　

宾夕法尼亚州立大学领导的一个国际研究团队表示，一项经历十多年研究的全球研究报告了一项新发现，有助于培育出能够抵御干旱和低氮土壤条件的玉米作物，并最终缓解全球粮食不安全。在3月16日发表在《美国国家科学院院刊》上的研究结果中，研究人员发现了一种编码转录因子(一种将DNA转化为RNA的蛋白质)的基因，可触发一种基因序列并负责发展一种重要性状，使玉米根系获得更多的水分和养分。

研究小组负责人、杰出的植物科学教授Jonathan Lynch说，这种可观察到的特征或表型被称为根皮质通气组织，它会导致根中形成空气通道。他在宾夕法尼亚州立大学的团队已经证明，这种表型使根的代谢成本更低，使它们能够更好地探索土壤，并从干燥、贫瘠的土壤中获取更多的水和养分。Lynch指出，现在，确定性状背后的遗传机制创建了一个育种目标，他在农业科学学院的研究小组已经在美国、亚洲、拉丁美洲、欧洲和非洲研究了30多年的玉米和豆类的根性状，目的是提高作物性能。

这项最新的研究由Hannah Schneider牵头，她以前是林奇实验室的博士生，后来是博士后学者，现在是荷兰瓦赫宁根大学和研究所的作物生理学助理教授。在这项研究中，她使用了宾夕法尼亚州立大学之前研究中开发的强大的遗传工具，在短时间内完成了“高通量表型”，以测量数千条根的特征。利用激光消融断层扫描和解剖学管道等技术，以及全基因组关联研究，她发现了导致玉米表达根皮层通气质的新基因——“bhlh21转录因子”。但Schneider指出，定位和验证根性状的遗传基础需要长期的努力。 

她说:“从2010年开始，我们首先进行了这项研究的实地实验，在宾夕法尼亚州、亚利桑那州、威斯康星州和南非种植了500多株玉米。”“我在所有这些地方都工作过。我们看到了令人信服的证据，证明我们已经找到了与根皮质通气组织相关的基因。”但施耐德说，证明这个概念花了很长时间。研究人员使用CRISPR/Cas9基因编辑系统和基因敲除等遗传操作方法创建了多个突变玉米系，以显示转录因子与根皮质多孔组织形成之间的因果关系。“我们不仅花了数年时间来创造这些品系，还在不同的条件下对它们进行表性分析，以验证该基因的功能。”“我们花了10年的时间来确认和验证我们的结果，以确保这是控制根皮质通气组织形成的基因和特定的转录因子。在野外做这类工作，挖掘成熟植物的根并对其进行表型分析是一个漫长的过程。”

功能研究表明，敲除bHLH121基因的突变玉米系、和编辑该基因以抑制其功能的CRISPR/Cas9突变系，都显示出减少了根皮质呼吸组织的形成。相比之下，与野生型玉米系相比，过表达系表现出明显更大的根皮质通气组织形成。研究人员说，在多种土壤环境下，在次优的水和氮有效性下对这些品系进行表征，揭示了bHLH121基因是根皮质通气组织形成所必需的。他们指出，全面验证bHLH121基因在根皮质透气组织形成中的重要性，为植物育种家提供了一个新的标记，可以在次优条件下通过改良的土壤探测选择品种，从而获得产量。这一结果意义重大，因为找到一种重要性状背后的基因，这种基因将帮助植物具有更好的耐旱性，更好的氮和磷捕获，在气候变化面前显得尤为重要。

“无论是在美国还是在世界各地，这些都是非常重要的品质，”他说。“干旱是玉米种植者面临的最大风险，并且随着气候变化而加剧，而从财务和环境角度来看，氮是种植玉米的最大成本。培育更有效地清除这种营养素的玉米品系将是一项重大发展。”