根部解剖基因的发现可能会导致培育更具弹性的玉米作物

一项涵盖十多年研究的全球研究报告称，一项新发现可能会培育出能够抵御干旱和低氮土壤条件并最终缓解全球粮食不安全状况的玉米作物。给宾夕法尼亚州立大学领导的国际研究团队。

在 3 月 16 日发表 在 《美国国家科学院院刊》上的研究结果中，研究人员确定了一个编码转录因子的基因——一种可用于将 DNA 转化为 RNA 的蛋白质——它触发了一个基因序列，该基因序列负责使玉米生根的重要性状的发展以获得更多的水分和养分。

根据研究小组组长、植​​物科学杰出教授乔纳森林奇的说法，这种可观察到的特征或表型被称为根皮质通气组织，会导致根部形成气道 。他在宾夕法尼亚州立大学的团队表明，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、贫瘠的土壤中捕获更多的水分和养分。

现在，确定性状背后的遗传机制创造了一个育种目标，Lynch 指出，他在 农业科学学院的研究小组 一直在美国、亚洲、拉丁美洲、欧洲和非洲研究玉米和豆类的根系性状，以获得更多超过三个十年，目的是提高作物性能。

这项最新研究由 Hannah Schneider牵头，Hannah Schneider 曾是 Lynch 实验室的博士生和博士后学者，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，她利用宾夕法尼亚州立大学之前研究开发的强大遗传工具，完成了“高通量表型分析”，在短时间内测量了数千根的特征。

利用激光烧蚀层析成像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质通气组织的基因——一种“bHLH121 转录因子”。但 Schneider 指出，定位并验证根性状的遗传基础需要长期的努力。

“我们从 2010 年开始进行这项研究的田间试验，在宾夕法尼亚州、亚利桑那州、威斯康星州和南非的地点种植了 500 多株玉米，”她说。“我在所有这些地方都工作过。我们看到了令人信服的证据，表明我们找到了一个与根皮质通气组织相关的基因。”

但证明这个概念花了很长时间，施耐德相关。研究人员使用 CRISPR/Cas9 基因编辑系统和基因敲除等基因操作方法创建了多个突变玉米品系，以显示转录因子与根皮质通气组织形成之间的因果关系。

“不仅创造这些品系，而且在不同条件下对它们进行表型分析以验证该基因的功能，都需要数年时间，”她说。“我们为此花了 10 年时间，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转录因子。在田间进行这类工作，挖掘成熟植物的根系并进行表型分析是一个漫长的过程。”

在论文中，研究人员报告说，功能研究表明，bHLH121 基因被敲除的突变玉米品系和基因被编辑以抑制其功能的 CRISPR/Cas9 突变品系均显示根皮质通气组织形成减少。相反，与野生型玉米品系相比，过表达品系表现出明显更多的根皮质通气组织形成。

研究人员表示，在多种土壤环境中，在水和氮可用性欠佳的情况下，对这些品系的表征表明，bHLH121 基因是根皮层通气组织形成所必需的。他们提出，对 bHLH121 基因在根皮层通气组织形成中的重要性的全面验证，为植物育种者提供了一个新的标记，可以在次优条件下选择具有改良土壤探索的品种，从而提高产量。

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