普渡大学研究人员发现矮杆玉米突变基因

      来源 / 普渡大学

 

      乔哈尔（Gurmukh (Guri) Johal）是一位科学家，而不是童话故事讲述者。但这位普渡大学植物学和植物病理学教授将他最近获得专利的玉米基因突变比作“金发姑娘和三只熊”。就像女孩三次尝试寻找完美的粥、椅子和床一样，乔哈尔在 35 年的高产矮玉米之路上尝试了另外两种突变，最后发现了他所说的“恰到好处”的突变。

      

      

      “我在 2020 年新冠疫情爆发时发现了金发姑娘突变，”乔哈尔说。“所以我们无法在实验室进行研究，那一年也无法雇用任何人在该领域工作。一切都是我一个人做的。然后我在田野里发现了这个突变体——我以前从未见过类似的东西。那是我的顿悟时刻。”他说，这种矮小的玉米变种 D16 可产生高度和活力均最佳的杂交植物。

      

      乔哈尔对玉米矮化机制的关注可以追溯到 1988 年，当时他是 Pioneer Hi Bred Seed Company（现为 Corteva）的博士后研究员。“我们就是在那里克隆了植物中第一个抗病基因，而该基因恰好是在玉米中，”他说。该特定基因与 brachytic2 (br2) 突变密切相关，研究人员将其用作遗传标记来克隆该基因以实现抗病性。 

      

      “短缩”是指植物的矮化，其中只有节间（长出叶子的两个节之间的植物茎）缩短。这项工作激发了乔哈尔对植物高度调节和建筑的兴趣。“毫无疑问，抗病能力非常重要，但身高也很重要，”他说。

      

      矮型玉米变种可以使农民、工业和环境受益。基于其未来的潜力，D16 吸引了多家大型农业企业的兴趣，原因显而易见：美国农民每年种植 9000 万英亩玉米。该性状是非转基因的，因此可以在世界范围内种植，并且在允许的情况下，可以通过基因编辑轻松引入任何精英品系。

      

      “这一特性有可能影响美国及其他地区的整个玉米作物，”乔哈尔说。

      

      在研究 D16 的过程中，他的研究加深了对另外两种玉米矮化突变的了解。1995 年，他开始研究花药穗 1 (an1)，该基因与包括 Norman Borlaug 在内的水稻和小麦育种者在 20 世纪 60 年代培育矮化品种的途径相同。这些是 20 世纪 60 年代末绿色革命的关键，阻止了印度次大陆和东南亚的饥荒。

      

      但乔哈尔解释说，玉米不像大米和小麦。“在 20 世纪 60 年代，当人们在水稻和小麦上进行研究并取得了非常成功的时候，人们确实在玉米上进行了尝试。但他们没有找到合适的东西，所以他们就放弃了。”

      

 

 

      

      乔哈尔自己对 an1 的研究产生了矮化玉米，但高度各不相同。他表明，在小麦和水稻中起作用的机制（导致植物激素赤霉酸产生的途径的限制）在玉米中不起作用，因为它影响了花的雄性和雌性的分化。

      

      乔哈尔接下来关注的是玉米的 brachytic2 (br2) 突变。尽管 br2 于 1951 年首次被发现，但直到 Johal 和他的研究小组于 2003 年在《科学》杂志上发表他们的研究结果之前，科学家们并不了解其潜在的遗传机制。“我们展示了为什么具有 brachytic2 突变的植物很矮，”他说。

      

      Johal 的团队于 2002 年与 Pioneer 合作克隆了 br2 基因并获得了专利。专利到期后，其他公司开始应用 brachytic2 突变来降低高度并生产他们所谓的智能玉米或短玉米。

      

      但植物育种家也没有完全理解这一点。“与所有其他植物物种不同，玉米有两个方面的植物高度，”乔哈尔解释道。“一个是整体高度。第二个是果穗的高度。” 他补充道，这些似乎是相互冲突的：缩短植物的整体高度会使穗子降低太多；将穗子抬起可以缓解植物矮小的问题。

      

      “通过研究这些突变，我清楚地认识到，我们能够培育出商业上可行且非常有益的矮玉米植物的唯一方法是，突变是否为显性突变，因此它必须仅存在于两个自交系之一中。用于制造杂交植物的品系，”乔哈尔说。“其次，它必须使植物不太高也不太矮。但这个高度范围的窗口非常窄。”

      

      他的 D16 突变体将玉米高度从 9-10 英尺降低到 6.5-7 英尺，使玉米穗保持在可以用标准美国联合收割机机械收割的高度。

      

      自 20 世纪 60 年代以来，玉米育种者通过开发种质使植物生长得更紧密，从而提高了产量。“有些人认为仍有增加密度的潜力，”乔哈尔说。“但为了实现这一潜力，我们首先必须降低植株的高度。高大而茂密的植物很容易受到风害。这种多米诺骨牌效应基本上会导致整个农作物倒塌。”

      

      由于气候变化增加了中西部高速风暴“德雷乔斯”的频率，矮玉米的抗风能力尤为重要。2020 年，仅爱荷华州就有 200 万英亩玉米地被一场德雷乔夷为平地，造成了 80 亿美元的损失。种植者不仅失去了农作物，还失去了农作物。化肥、杀菌剂和水等昂贵的投入全部被浪费了。

      

      乔哈尔说，财务影响和环境影响“齐头并进”。他以化肥为例。他指出，普通的杂交品种长得很快，以至于农民必须在种植时提供肥料。“但植物在早期很少使用它；他们稍后需要它。” 与此同时，大部分肥料流失或降解。“如果农民能够在后期提供这种农作物肥料，我们将需要更少的肥料，”他说。

      

      他说，D16 突变提供了这种可能性。由于矮化玉米每英亩可以种植更多植物，乔哈尔认为它可以让种植者使用更少的土地，这意味着更少的能源、化肥、水和其他费用。

      

      他举了一个假设的情况：“如果你有 1,000 英亩的土地，但其中只有 300 英亩的土地真正最适合种植，那就只使用那么多土地。把你最好的基因放在那里，给予它最大的关注和照顾，那么你从这 300 英亩的土地中获得的收益可能比整个 1,000 英亩的收益还要多。那么700英亩的土地就可以留给大自然了。”

      

      当乔哈尔开车穿过现有的玉米田时，他设想农作物与自然之间的平衡——田野上散布着林地，特别是在低洼地区，以及更多树木的所有好处，包括野生动物栖息地和二氧化碳捕获。他指出，当你来到印第安纳州的一个乡村十字路口时，你将能够看到周围的矮玉米。