全球气候变化，基因编辑技术可保障小麦产量

　　

   

   

基因编辑技术帮助识别和解释了小麦中的关键基因ZIP4

图片来源:约翰英尼斯中心

约翰英纳斯中心的研究人员发现了一种对种子产生深远影响的基因。基因编辑技术有助于识别和解释小麦中的关键基因ZIP4，该基因负责维持这种全球作物50%的产量。

这一发现为利用该基因的新突变培育高产优质小麦品种提供了令人兴奋的新机会，同时也允许引入关键的重要性状，如耐热性和抗病性。

在这项发表在《Scientific Reports》上的研究中，格雷厄姆·摩尔教授的研究小组利用小麦研究技术的最新发展，解释了困扰科学家60多年的遗传因素。

“我们的研究描述了一个基因的鉴定，ZIP4及其表型，负责保存50%的小麦谷物。Moore教授说:“我们现在的目标是识别这种基因的变异，使小麦的产量能够适应气候变化。”

开发适应气候变化的小麦将有助于确保一种25亿人依赖的作物。

包括大多数开花植物在内的许多植物物种都是多倍体，这意味着它们有多个基因组。大约1万年前，在中东地区，多倍体小麦基因组由野草杂交而成。

在这个被称为多倍体化的过程中，生殖能力通过在减数分裂(细胞内有性生殖阶段)中进化来控制多个基因组行为的机制得以保存。

在小麦多倍体化过程中，减数分裂主要基因ZIP4从3号染色体复制到5B染色体。

以往的研究表明，复制基因在小麦减数分裂期间稳定基因组中起着两个关键作用:促进忠实的染色体配对和抑制相关染色体之间的交叉。

60多年来，这种抑制功能被认为是基因组稳定和粮食产量的原因，并因此为育种决策提供依据。

Moore小组的研究人员使用CRISPR-Cas9基因组编辑技术创建了一种突变植物，其中ZIP4 5B基因被删除，导致这两种功能都丧失。该突变产生的粒数减少了50%，证实了ZIP4 5B在小麦育性中的关键作用。

接下来，他们产生了一种新的“功能分离”ZIP4 5B突变株，该突变株失去了交叉抑制表型，但仍保留了促进正确配对的能力。

令人兴奋的是，“促进正确配对”表型在分离功能突变小麦ZIP4 5B中，保持了染色体的稳定性和粒数的保存。

结果表明，令人惊讶的是，当其他功能保留时，交叉抑制表型的丧失并没有降低小麦的育性。

Moore教授补充说:“直到现在，这第二种表型对保存谷粒数量的重要性还不清楚。我们的研究表明，新的突变体现在应该用于小麦育种，以保持产量，因为它没有抑制功能，以增加理想的野生相对染色体片段成功渗入小麦的机会。”

减数分裂受到温度升高的影响。研究重点是寻找ZIP4基因在不同温度条件下保持减数分裂稳定性和育性的变异。

该研究的第一作者Azahara Martin博士说:“在多倍体化后，ZIP4基因从3号染色体复制到5B号染色体，可能对农业和人类营养产生了非凡的影响。本研究中描述的功能突变体的分离将导致育种中更成功的渐渗。”

‘A ‘separation-of-function’ ZIP4 wheat mutant allows crossover between related chromosomes and is meiotically stable’

www.nature.com/articles/s41598-021-01379-z