華中農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米團(tuán)隊解析玉米產(chǎn)量調(diào)控的新機(jī)制

　　近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室張祖新教授課題組研究成果以“An ethylene biosynthesis enzyme controls quantitative variation in maize ear length and kernel yield”為題在Nature Communications發(fā)表。該研究鑒定了一個控制玉米果穗長度、每行籽粒數(shù)、每穗籽粒數(shù)目和籽粒產(chǎn)量的多效性QTL，證實了一個乙烯生物合成的關(guān)鍵基因ZmACO2為該QTL的功能基因，首次揭示了該基因控制花序中內(nèi)源乙烯生物合成水平、影響小花敗育率進(jìn)而控制穗粒數(shù)的新機(jī)制。

 

　　玉米是世界上最重要的禾谷類作物之一，其籽粒中的貯藏物質(zhì)可用以滿足日益增長的人口對膳食、工業(yè)原料和生物燃料等的需求，因而，玉米籽粒產(chǎn)量的遺傳改良研究歷來倍受重視。通過長期的遺傳改良，玉米穗粒數(shù)不斷增加，籽粒產(chǎn)量不斷提高。育種實踐證明，提高玉米籽粒產(chǎn)量的途徑有二：其一，在特定的種植密度下，通過增加小花數(shù)以提高單穗籽粒數(shù)；其二，通過增加種植密度以提高單位面積上的籽粒數(shù)。前者需要提高花序和小花發(fā)育的活性，增加可育小花數(shù)；后者則需克服密植條件對小花發(fā)育和小花育性的不利影響?？梢?，提高小花育性是提高籽粒產(chǎn)量的生物學(xué)基礎(chǔ)。然而，我們至今對玉米產(chǎn)量改良過程中所選擇的結(jié)實率和穗粒數(shù)基因以及其作用機(jī)理知之甚少。

 

　　圖1 ZmACO2基因敲除家系衍生雜交種的產(chǎn)量相關(guān)性狀評價

 

　　張祖新教授課題組前期已鑒定到一個參與花序分化的基因KNR6，揭示了其通過增加小花數(shù)、穗粒數(shù)而提高籽粒產(chǎn)量的分子機(jī)制（Nature Communications, 2020, 11:988）。近日，Nature Communications再次在線發(fā)表了該課題組的最新研究成果。課題組克隆了一個控制玉米穗粒數(shù)的重要基因ZmACO2，其編碼1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸氧化酶2（ACO2），參與花序發(fā)育進(jìn)程中內(nèi)源乙烯的生物合成。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)敲除ZmACO2基因，雌花序中內(nèi)源乙烯的生物合成顯著減少，雌性小花的敗育率下降，結(jié)實率增加，最終導(dǎo)致玉米自交系單穗籽粒數(shù)增加。重要地，敲除ZmACO2基因也可使雜交種增產(chǎn)約13.4%（圖1）。這一研究成果不僅首次揭示了內(nèi)源乙烯生物合成與玉米花序發(fā)育和小花育性的關(guān)系，闡明了組織特異性表達(dá)的ZmACO2基因控制花序中內(nèi)源乙烯水平、通過調(diào)控小花敗育率進(jìn)而調(diào)節(jié)穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量的新機(jī)制，也為利用基因編輯技術(shù)優(yōu)化內(nèi)源乙烯水平、提高小花育性和穗粒數(shù)提供了靶標(biāo)基因。研究成果不僅有助于實現(xiàn)玉米密植高產(chǎn)的育種目標(biāo)，也可為其它禾本科作物的相關(guān)研究提供借鑒。

 

　　我校植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士研究生寧強(qiáng)、簡逸楠為文章的并列第一作者，張祖新教授課題組其他6名研究生以及玉米團(tuán)隊的楊芳教授也參與了該工作。我校美國冷泉港實驗室的David Jackson教授、我校博士后劉磊博士和張祖新教授為文章共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Maize ear size and kernel number differ among lines, however, little is known about the molecular basis of ear length and its impact on kernel number. Here, we characterize a quantitative trait locus, qEL7, to identify a maize gene controlling ear length, flower number and fertility. qEL7 encodes 1-aminocyclopropane-1- carboxylate oxidase2 （ACO2）， a gene that functions in the final step of ethylene biosynthesis and is expressed in specific domains in developing inflorescences. Confirmation of qEL7 by gene editing of ZmACO2 leads to a reduction in ethylene production in developing ears, and promotes meristem and flower development, resulting in a ~13.4% increase in grain yield per ear in hybrids lines. Our findings suggest that ethylene serves as a key signal in inflorescence development, affecting spikelet number, floral fertility, ear length and kernel number, and also provide a tool to improve grain productivity by optimizing ethylene levels in maize or in other cereals.

 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26123-z