近日，華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室張祖新教授課題組研究成果以“An ethylene biosynthesis enzyme controls quantitative variation in maize ear length and kernel yield”為題在Nature Communications發表。該研究鑒定了一個控制玉米果穗長度、每行籽粒數、每穗籽粒數目和籽粒產量的多效性QTL，證實了一個乙烯生物合成的關鍵基因ZmACO2為該QTL的功能基因，首次揭示了該基因控制花序中內源乙烯生物合成水平、影響小花敗育率進而控制穗粒數的新機制。
玉米是世界上最重要的禾谷類作物之一，其籽粒中的貯藏物質可用以滿足日益增長的人口對膳食、工業原料和生物燃料等的需求，因而，玉米籽粒產量的遺傳改良研究歷來倍受重視。通過長期的遺傳改良，玉米穗粒數不斷增加，籽粒產量不斷提高。育種實踐證明，提高玉米籽粒產量的途徑有二：其一，在特定的種植密度下，通過增加小花數以提高單穗籽粒數；其二，通過增加種植密度以提高單位面積上的籽粒數。前者需要提高花序和小花發育的活性，增加可育小花數；后者則需克服密植條件對小花發育和小花育性的不利影響。可見，提高小花育性是提高籽粒產量的生物學基礎。然而，我們至今對玉米產量改良過程中所選擇的結實率和穗粒數基因以及其作用機理知之甚少。
圖1 ZmACO2基因敲除家系衍生雜交種的產量相關性狀評價
張祖新教授課題組前期已鑒定到一個參與花序分化的基因KNR6，揭示了其通過增加小花數、穗粒數而提高籽粒產量的分子機制（Nature Communications, 2020, 11:988）。近日，Nature Communications再次在線發表了該課題組的最新研究成果。課題組克隆了一個控制玉米穗粒數的重要基因ZmACO2，其編碼1-氨基環丙烷-1-羧酸氧化酶2（ACO2），參與花序發育進程中內源乙烯的生物合成。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術敲除ZmACO2基因，雌花序中內源乙烯的生物合成顯著減少，雌性小花的敗育率下降，結實率增加，最終導致玉米自交系單穗籽粒數增加。重要地，敲除ZmACO2基因也可使雜交種增產約13.4%（圖1）。這一研究成果不僅首次揭示了內源乙烯生物合成與玉米花序發育和小花育性的關系，闡明了組織特異性表達的ZmACO2基因控制花序中內源乙烯水平、通過調控小花敗育率進而調節穗粒數和籽粒產量的新機制，也為利用基因編輯技術優化內源乙烯水平、提高小花育性和穗粒數提供了靶標基因。研究成果不僅有助于實現玉米密植高產的育種目標，也可為其它禾本科作物的相關研究提供借鑒。
我校植物科學技術學院博士研究生寧強、簡逸楠為文章的并列第一作者，張祖新教授課題組其他6名研究生以及玉米團隊的楊芳教授也參與了該工作。我校美國冷泉港實驗室的David Jackson教授、我校博士后劉磊博士和張祖新教授為文章共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。
【英文摘要】
Maize ear size and kernel number differ among lines, however, little is known about the molecular basis of ear length and its impact on kernel number. Here, we characterize a quantitative trait locus, qEL7, to identify a maize gene controlling ear length, flower number and fertility. qEL7 encodes 1-aminocyclopropane-1- carboxylate oxidase2 （ACO2）， a gene that functions in the final step of ethylene biosynthesis and is expressed in specific domains in developing inflorescences. Confirmation of qEL7 by gene editing of ZmACO2 leads to a reduction in ethylene production in developing ears, and promotes meristem and flower development, resulting in a ~13.4% increase in grain yield per ear in hybrids lines. Our findings suggest that ethylene serves as a key signal in inflorescence development, affecting spikelet number, floral fertility, ear length and kernel number, and also provide a tool to improve grain productivity by optimizing ethylene levels in maize or in other cereals.
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26123-z
日期：2021-10-11
玉米是世界上最重要的禾谷類作物之一，其籽粒中的貯藏物質可用以滿足日益增長的人口對膳食、工業原料和生物燃料等的需求，因而，玉米籽粒產量的遺傳改良研究歷來倍受重視。通過長期的遺傳改良，玉米穗粒數不斷增加，籽粒產量不斷提高。育種實踐證明，提高玉米籽粒產量的途徑有二：其一，在特定的種植密度下，通過增加小花數以提高單穗籽粒數；其二，通過增加種植密度以提高單位面積上的籽粒數。前者需要提高花序和小花發育的活性，增加可育小花數；后者則需克服密植條件對小花發育和小花育性的不利影響。可見，提高小花育性是提高籽粒產量的生物學基礎。然而，我們至今對玉米產量改良過程中所選擇的結實率和穗粒數基因以及其作用機理知之甚少。
圖1 ZmACO2基因敲除家系衍生雜交種的產量相關性狀評價
張祖新教授課題組前期已鑒定到一個參與花序分化的基因KNR6，揭示了其通過增加小花數、穗粒數而提高籽粒產量的分子機制（Nature Communications, 2020, 11:988）。近日，Nature Communications再次在線發表了該課題組的最新研究成果。課題組克隆了一個控制玉米穗粒數的重要基因ZmACO2，其編碼1-氨基環丙烷-1-羧酸氧化酶2（ACO2），參與花序發育進程中內源乙烯的生物合成。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術敲除ZmACO2基因，雌花序中內源乙烯的生物合成顯著減少，雌性小花的敗育率下降，結實率增加，最終導致玉米自交系單穗籽粒數增加。重要地，敲除ZmACO2基因也可使雜交種增產約13.4%（圖1）。這一研究成果不僅首次揭示了內源乙烯生物合成與玉米花序發育和小花育性的關系，闡明了組織特異性表達的ZmACO2基因控制花序中內源乙烯水平、通過調控小花敗育率進而調節穗粒數和籽粒產量的新機制，也為利用基因編輯技術優化內源乙烯水平、提高小花育性和穗粒數提供了靶標基因。研究成果不僅有助于實現玉米密植高產的育種目標，也可為其它禾本科作物的相關研究提供借鑒。
我校植物科學技術學院博士研究生寧強、簡逸楠為文章的并列第一作者，張祖新教授課題組其他6名研究生以及玉米團隊的楊芳教授也參與了該工作。我校美國冷泉港實驗室的David Jackson教授、我校博士后劉磊博士和張祖新教授為文章共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。
【英文摘要】
Maize ear size and kernel number differ among lines, however, little is known about the molecular basis of ear length and its impact on kernel number. Here, we characterize a quantitative trait locus, qEL7, to identify a maize gene controlling ear length, flower number and fertility. qEL7 encodes 1-aminocyclopropane-1- carboxylate oxidase2 （ACO2）， a gene that functions in the final step of ethylene biosynthesis and is expressed in specific domains in developing inflorescences. Confirmation of qEL7 by gene editing of ZmACO2 leads to a reduction in ethylene production in developing ears, and promotes meristem and flower development, resulting in a ~13.4% increase in grain yield per ear in hybrids lines. Our findings suggest that ethylene serves as a key signal in inflorescence development, affecting spikelet number, floral fertility, ear length and kernel number, and also provide a tool to improve grain productivity by optimizing ethylene levels in maize or in other cereals.
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26123-z
日期：2021-10-11
