【學術前沿】《自然—植物》：焦雨鈴團隊發現小麥增產基因

中國科學院遺傳與發育生物學研究所/北京大學生命科學學院焦雨鈴研究組發現，人工基因編輯一個AP2/ERF轉錄因子DUO1可以顯著提高小麥籽粒產量。

北京時間2022年7月18日晚23時，Nature Plants雜誌線上發表了這一發現，並在同期配發了針對此項工作的亮點評述。

澳大利亞阿德萊德大學知名小麥研究專家Scott Boden教授在評述中指出：“該基因的發現，為提高小麥產量提供了優異的等位變異，對於應對糧食安全危機具有積極的意義。”

人類在歷史發展程序中改造著天然動植物，使其馴化適應於人類需要而發展。植物馴化的過程實際上是選擇和改變植物基因的過程。然而，傳統的育種方式週期漫長，只看到了植物性狀改變的結果，不知道背後的遺傳機制。小麥作為重要的口糧之一，是一種近親繁殖的作物，其遺傳多樣性相對較低，具有獨特的進化限制。養活不斷增加的人類人口是一個巨大的挑戰。因此，需要在小麥中創造新的等位基因和識別新的位點用於進一步提高籽粒產量性狀。

小麥穗為復穗狀花序，穗軸上著生若干軸節，每個軸節的基部會著生一個小穗。小穗數是穗粒數的直接構成因素，且與穗粒數呈顯著正相關。因此，透過解析小麥穗發育時期影響小穗數的關鍵基因對於增加穗粒數進而提高小麥籽粒產量具有重要的理論意義和應用價值。本研究以禾本科模式植物二穗短柄草穗型突變體材料為橋樑，來研究小麥穗型調控基因。

首先，他們篩選到一個二穗短柄草T-DNA插入突變體bdduo1，該突變體表現為每穗小穗數的增多。作者透過一系列遺傳學試驗進一步明確了BdDUO1在二穗短柄草穗型調控中的作用。

圖：DUO1的功能分析。A-B： 二穗短柄草野生型（A），主穗有4個小穗；突變體（B）有8個小穗。C-G示該基因在小麥中的作用。C：小麥品種Fielder穗型。D： duo1突變體穗型。E： 小麥品種Fielder每個穗軸節片著生一個小穗。F： 突變體每個穗軸節片著生三個小穗。G： F圖穗子解剖。H-I： 主穗穗粒數比較，突變體穗粒數明顯增多。

接下來，研究團隊利用基因敲除技術在小麥中人為編輯了該基因。他們發現基因編輯突變體的穗子中下部表現出多小穗表型（每個軸節的基部會著生2-3個小穗）。透過活體成像，發現突變體幼穗基部小花原基位置的細胞數目和細胞大小明顯大於野生型品種，暗示該基因調控了細胞分裂。

最後，研究者在田間進行了產量小區實驗，發現基因編輯突變體比野生型能夠顯著提高每穗穗粒數，從而提高小麥單位面積產量。團隊人員進一步研究發現，該基因從農家種到栽培種的育種過程中並沒有被人工選擇。因此，透過人工編輯DUO1基因，獲得調控小麥籽粒產量的優異等位變異，對於我們深入瞭解穗粒數調控的分子機制及指導小麥產量性狀的遺傳改良具有重要的理論與實踐意義。

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DOI：10。1038/s41477-022-01197-9

原標題：《【學術前沿】《自然—植物》：焦雨鈴團隊發現小麥增產基因》