科学家揭示玉米簇生花序如何影响产量

花序的分枝数目在一定程度上决定了籽粒数目,进而影响籽粒产量。近日,美国《国家科学院院刊》在线发表了华中农业大学玉米团队教授张祖新和美国加州大学伯克利分校教授 Sarah Hake 的合作成果。该成果揭示了 Fascicled ear1 位点两个基因的拷贝数变异可调控玉米花序分生组织细胞命运,并阐述了花序分生组织中心—外缘轴极性分化的生物学功能。

植物分生组织是一团具有自我更新能力的干细胞群,其通过固有模式持续分化产生侧生器官。花序原基早期呈辐射对称状,具有中心—外缘轴。随着侧生原基的启始,这种辐射对称状花序原基开始不对称发育。

论文通讯作者张祖新介绍,栽培玉米的雌、雄花序属于辐射对称性花序,具有典型的中心—外缘轴结构。分枝是禾本科作物花序发育的一个基本特征,分枝数目与籽粒产量有关。玉米雄花序有一个主轴、多分枝,雌花序只有一个穗轴、无分枝。

1997 年,美国科学家首次报道了一个玉米雌雄花序无主轴、多分枝的突变体,并将其命名为 Fascicled ear(Fas1-R)。随后,Sarah Hake 课题组开展了早期的遗传分析。但由于定位区段基因组的复杂性,研究工作一度停滞。

2015 年,张祖新课题组在育种材料中也获得了一个类似表型突变体,命名为 Fas1-2,并开始了遗传学和发育生物学的相关研究,精细定位了 Fas1-2 所在的染色体区段,发现定位区段内候选基因拷贝数变异是导致突变表型的遗传基础。

由于双方具有良好的合作基础和相同的研究兴趣,两个课题组开始了 Fas1-2 和 Fas1-R 的合作攻坚。

论文第一作者、华中农业大学博士后杜艳芳介绍,经过反复实验验证,团队成员发现,Fas1 区段基因组结构变异导致候选基因拷贝数增加和新启动子的产生。新启动子驱动基因异位表达,并进一步地抑制花序分生组织中心轴相关基因的表达,同时异常启动分生组织外缘轴基因的表达。

这一研究成果首次揭示了玉米花序分生组织中心—外缘轴极性分化的控制机理,证实了中心—外缘轴相关基因严格时空表达的重要性,也为通过启动子定向编辑改变基因表达模式进而改变花序发育和玉米籽粒产量提供了新思路。

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2019218118

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