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稻草人基因可能导致更高产量的新作物品种

2018-05-20
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康奈尔大学的科学家们认为,稻草人基因 - 第一个发现用于控制克兰兹解剖结构的基因,可导致更高效的光合作用 - 可能导致产量更高的主要作物的新品种。 /

到2050年预计有95亿人口,人类面临的挑战是如今使用相同数量的水,肥料和可耕地,将现代饮食喂养到额外的嘴巴。

康奈尔大学的研究人员通过发现一种能够产生50%更高产量的主要作物新品种的基因,实现了满足这些需求的飞跃。

这个名为Scarecrow的基因是第一个被发现用于控制特殊叶片结构的基因,称为Kranz解剖结构,从而导致更高效的光合作用。使用以下两种方法之一进行光合作用:C3,在大多数植物中发现的效率较低的古老方法,包括小麦和水稻;和C4,这是草,玉米,高粱和甘蔗更适合干旱,强烈的阳光,高温和低氮的更有效的适应。

“研究人员一直在努力寻找克兰兹解剖学的基础遗传学,所以我们可以将它设计成C3作物,”托马斯Slewinski,一篇论文的主要作者,11月在线出版的植物和细胞生理学杂志。 Slewinski是资深作家Robert Turgeon实验室的博士后研究员,他是植物生物学教授。

“这一发现”提供了一个线索,说明整个解剖关键是如何调节的,“Turgeon说。 “还有很多东西需要学习,但现在谷仓大门已经敞开,你将会看到人们在这个稻草人通道上工作。”将C4机制转换成C3工厂的承诺一直在全球范围内热烈追求并获得资助。几十年来,他补充道。

研究人员说,如果C4光合作用通过基因工程成功地转移到C3植物上,农民可以在较热的干燥环境中用较少的肥料种植小麦和水稻,但可能会使产量增加一半。

C3光合作用起源于地球历史上当时大气中二氧化碳比例较高的时期。 C4植物在不同的时间和地点独立地从C3植物进化了约60次。 C4适应涉及叶中的克兰兹解剖学,它包括一层围绕静脉的特殊束鞘细胞和一层叫做叶肉细胞的外层细胞。利用不同种类的叶绿体,束鞘细胞和叶肉细胞在光合作用的两步版本中合作。

通过仔细观察植物的进化和解剖,Slewinski认识到C4植物的叶鞘细胞与包围根和茎中维管组织的内胚层细胞相似。

Slewinski怀疑,如果C4共享带有根和茎的内胚层基因,那么控制这些细胞类型的基因也可以共享。 Slewinski寻找具有突变Scarecrow基因的实验性玉米品系,他知道其在根中受控制的内胚层细胞。当研究人员种植这些植物时,他们首先发现了根部的问题,然后检查了束鞘的异常情况。他们发现Scarecrow突变体的叶子有异常和增生的束鞘细胞和不规则的静脉。

在所有植物中,称为RuBisCo的酶促进捕获空气中二氧化碳的反应,这是生产蔗糖的第一步,蔗糖是为植物提供能量的高能光合作用产物。但在C3工厂中,RuBisCo也促进了与氧气的竞争反应,产生了必须降解的副产物,总成本约为30-40%。在C4植物中,二氧化碳固定分两个阶段进行。第一步发生在叶肉中,并且该反应的产物穿过RuBisCo步骤的束鞘。 RuBisCo步骤非常有效,因为在束鞘细胞中,氧气浓度低且二氧化碳浓度高。这消除了竞争性氧气反应的问题,使工厂效率更高。

该研究由美国国家科学基金会和美国农业部资助。

资料来源:康乃尔大学新闻Krishna Ramanujan

图片:Thomas Slewinski