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玉米是全球和我國(guó)的第一大糧食作物，種植密度的不斷增加是玉米單產(chǎn)水平持續(xù)提升的關(guān)鍵因素之一。美國(guó)玉米種植密度普遍超過(guò)6000株/畝，而我國(guó)玉米種植密度平均為4000株/畝，差距明顯。因此，發(fā)掘和利用耐密高產(chǎn)基因、培育耐密高產(chǎn)品種是提高我國(guó)玉米單產(chǎn)水平的重要途徑。

2024年6月12日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)田豐課題組和李繼剛課題組合作在Nature雜志在線發(fā)表了題為Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities的研究論文。該研究首次在玉米中鑒定到“智慧株型”基因lac1，揭示了光信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)控lac1促使玉米適應(yīng)密植的分子機(jī)制，建立了“一步成系”的單倍體誘導(dǎo)編輯技術(shù)體系。鑒于該研究的重要性，Nature雜志選擇以“文章加速預(yù)覽”（Accelerated Article Preview）模式在線發(fā)表了上述研究成果。

密植會(huì)引起植株間葉片相互遮擋，誘發(fā)產(chǎn)生避蔭反應(yīng)，導(dǎo)致作物群體產(chǎn)量下降。合理的株型結(jié)構(gòu)是作物適應(yīng)密植的前提，株型緊湊的玉米植株能夠減弱密植群體的避蔭反應(yīng)，提高群體產(chǎn)量。田豐課題組前期克隆了2個(gè)控制玉米緊湊株型的QTL—UPA1/brd1和UPA2/RAVL1，并構(gòu)建了玉米緊湊株型的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（點(diǎn)擊查看：Science | 中國(guó)農(nóng)大田豐團(tuán)隊(duì)揭示玉米密植株型分子調(diào)控機(jī)制）。在密植群體內(nèi)，不同冠層的葉片接收到的光強(qiáng)和光質(zhì)各不相同，導(dǎo)致上部冠層葉片“光飽和”，中下部冠層葉片“光饑餓”，因此不同冠層的葉片需要不同的空間伸展姿態(tài)，以最大限度的捕獲光能，提高群體的光合作用效率。所以，理想耐密株型并不是要求植株所有葉片緊湊，而是需要上部葉片緊湊、中下部葉片相對(duì)舒展的“智慧冠層（smart canopy）”結(jié)構(gòu)（Ort et al., 2015）。然而，目前尚未鑒定到控制玉米智慧冠層的基因。

田豐課題組前期在田間鑒定到一個(gè)上部葉夾角緊湊、中下部葉夾角相對(duì)舒展的自然突變體材料，具有“上緊下松”的智慧株型特征，命名為lac1（leaf angle architecture of smart canopy 1）（圖1a）。圖位克隆發(fā)現(xiàn)，lac1編碼類固醇C-22 羥化酶（DWF4）（Zhao et al, 2012; Sakamoto et al, 2006），其外顯子上一個(gè)273bp的轉(zhuǎn)座子插入導(dǎo)致編碼蛋白提前終止。利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)對(duì)lac1進(jìn)行了編輯，純合敲除系均展現(xiàn)出“上緊下松”智慧株型表型。連續(xù)4年在4個(gè)地點(diǎn)對(duì)lac1突變體、敲除系和F1雜交種進(jìn)行了不同種植密度的田間產(chǎn)量試驗(yàn)，結(jié)果顯示在高密度種植條件下，攜帶lac1突變等位基因的“上緊下松”株型可以顯著增加群體中下部冠層透光率、增強(qiáng)穗位葉凈光合速率、削弱密植群體的避蔭反應(yīng)，最終促進(jìn)玉米群體產(chǎn)量顯著增加（圖1b）。研究進(jìn)一步證實(shí)，lac1控制的“上緊下松”株型比RAVL1控制的“上下緊湊”株型具有更高的密植增產(chǎn)潛力，聚合這兩個(gè)等位基因能進(jìn)一步提升密植群體產(chǎn)量。

圖1 lac1賦予玉米“智慧株型”并促進(jìn)密植增產(chǎn)

葉夾角隨著種植密度增加而逐漸減小是玉米適應(yīng)密植的典型避蔭反應(yīng)，然而玉米葉夾角動(dòng)態(tài)響應(yīng)密植的分子機(jī)制目前知之甚少。遮蔭信號(hào)主要由植物的紅光/遠(yuǎn)紅光受體—光敏色素（phyA和phyB）感知。研究發(fā)現(xiàn)，田豐課題組前期鑒定到的調(diào)控玉米葉夾角的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子RAVL1直接激活lac1的表達(dá)，從而控制玉米葉環(huán)區(qū)油菜素內(nèi)酯的積累，最終影響玉米葉夾角的大小。有趣的是，lac1在遮蔭條件下表達(dá)顯著下調(diào)，那么RAVL1能否與phyA或phyB直接互作從而介導(dǎo)遮蔭信號(hào)對(duì)lac1的動(dòng)態(tài)調(diào)控？研究結(jié)果表明，RAVL1僅能與phyA互作，而不能與phyB互作。隨著種植密度增加，紅光:遠(yuǎn)紅光的比例（R/FR）降低，促進(jìn)phyA蛋白積累，phyA與RAVL1互作并促進(jìn)RAVL1蛋白的降解，從而削弱RAVL1對(duì)lac1的激活作用，最終減小高密度條件下的玉米葉夾角（圖2）。在lac1突變體中，phyA-RAVL1介導(dǎo)的光信號(hào)通路被阻斷，從而削弱lac1突變體對(duì)遮蔭的響應(yīng)。綜上，一方面lac1“上緊下松”的株型特征優(yōu)化了冠層內(nèi)的光分布、增強(qiáng)了密植群體的光合效率，另一方面lac1對(duì)遮蔭響應(yīng)的削弱增強(qiáng)了耐蔭性，lac1形態(tài)的改良和生理的適應(yīng)協(xié)同促進(jìn)了密植增產(chǎn)。

圖2 phyA-RAVL1-lac1分子通路動(dòng)態(tài)調(diào)控玉米葉夾角以適應(yīng)密植

如何將基礎(chǔ)研究鑒定到的優(yōu)良基因快速導(dǎo)入現(xiàn)代商業(yè)品種一直是作物遺傳育種領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)需要多代的回交和自交，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且改良效率易受不利連鎖的影響。2019年，美國(guó)和中國(guó)的科學(xué)家同時(shí)報(bào)道了將基因編輯與單倍體誘導(dǎo)耦聯(lián)的單倍體誘導(dǎo)編輯技術(shù)（HI-Edit和IMGE），理論上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)品種的直接定向修飾（Kelliher et al., 2019; Wang et al., 2019）。然而，由于玉米遺傳轉(zhuǎn)化的基因型限制，目前單倍體誘導(dǎo)編輯技術(shù)的應(yīng)用仍需借助中間轉(zhuǎn)化受體材料，將基因編輯載體回交導(dǎo)入至單倍體誘導(dǎo)系中再進(jìn)行誘導(dǎo)編輯，這一過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。該研究建立了以HI3為代表的單倍體誘導(dǎo)系遺傳轉(zhuǎn)化體系，實(shí)現(xiàn)了基因編輯載體直接轉(zhuǎn)化單倍體誘導(dǎo)系、當(dāng)代誘導(dǎo)編輯的“一步成系”目標(biāo)（圖3）。利用攜帶lac1編輯載體的單倍體誘導(dǎo)系成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)20個(gè)自交系lac1基因的定向修飾，單倍體純合編輯效率達(dá)到6.8%，獲得的雙單倍體（DH）編輯系表現(xiàn)出類似lac1的智慧株型特征，改良后的商業(yè)雜交種親本OSL476具有顯著的密植增產(chǎn)效應(yīng)。“一步成系”單倍體誘導(dǎo)編輯技術(shù)體系的建立為商業(yè)品種快速定向修飾、多性狀協(xié)同改良、野生種從頭馴化等提供了強(qiáng)大工具。

圖3 “一步成系”單倍體誘導(dǎo)編輯技術(shù)

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)生田金歌（現(xiàn)為北京市農(nóng)林科學(xué)院研究員）、農(nóng)學(xué)院王成龍副教授和碩士畢業(yè)生陳豐懿為論文的共同第一作者，田豐教授和中國(guó)植物學(xué)會(huì)植物生理及分子生物學(xué)專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)、李繼剛教授為共同通訊作者。鄧興旺院士、張明才教授、陳紹江教授對(duì)該研究工作提供了寶貴意見(jiàn)和材料支持。海南奧玉生物技術(shù)有限公司提供了“一步成系”單倍體誘導(dǎo)編輯的技術(shù)支撐，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米功能基因組平臺(tái)提供了部分常規(guī)玉米的遺傳轉(zhuǎn)化服務(wù)。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)-拼多多研究基金、三亞市亞洲灣科技城管理局項(xiàng)目、中國(guó)高校科學(xué)基金以及博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

參考文獻(xiàn)

1. Tian, J. G. et al. Teosinte ligule allele narrows plant architecture and enhances high-density maize yields. Science 365, 658-664 (2019).

2. Ort, D. R. et al. Redesigning photosynthesis to sustainably meet global food and bioenergy demand. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 112, 8529-8536 (2015).

3. Zhao, B. & Li, J. Regulation of brassinosteroid biosynthesis and inactivation. J Integr Plant Biol. 54, 746-759 (2012).

4. Sakamoto, T. et al. Erect leaves caused by brassinosteroid deficiency increase biomass production and grain yield in rice. Nat. Biotechnol. 24, 105-109 (2006).

5. Kelliher, T. et al. One-step genome editing of elite crop germplasm during haploid induction. Nat. Biotechnol. 37, 287-292 (2019).

6. Wang, B. B. et al. Development of a haploid-inducer mediated genome editing system for accelerating maize breeding. Mol. Plant. 12, 597-602 (2019).