制作玉米穗必不可少的新基因

由密苏里大学玉米遗传学家Paula McSteen领导的一个科学家小组已经确定了一种在玉米中形成耳朵所必需的基因。

这项新研究发表在“分子植物”杂志上,扩展了对玉米植物不同部分如何发展的生物学理解,这是作为全球粮食供应主体的作物的重要信息。

“玉米是一种极其重要的作物,耳朵是植物产量最重要的器官。了解控制这一过程的基因以及它们如何在分子水平上共同发挥作用对于提高作物产量至关重要,”McSteen说。是艺术与科学学院的生物科学副教授,也是Christopher S. Bond生命科学中心的首席研究员。“我们从玉米中收集到的信息也可能适用于其他谷物,包括大米和小麦,因为它们也会在树枝上形成谷物。”

研究人员发现,一种名为barren stalk2或ba2的基因会影响腋生分生组织的发育,腋生分生组织是产生耳朵的特殊细胞。随着玉米植物的生长,这些细胞在茎的节点处形成。这些节点看起来像茎中的微小凹槽或凹痕。当植物准备好制作耳朵时,这些细胞开始分裂并从茎中萌芽。这些芽伸长形成耳芽,最终成为可收获的耳朵。这个过程是通过将一种叫做生长素的激素传递到节点来启动的,这些节点用信号通知细胞产生耳朵。

为了找到产生耳朵或其他任何器官所需的基因,遗传学家会寻找不能使器官正常生长的植物。ba2基因突变的植物从不会产生耳朵,因此称为“贫瘠茎”。突变植物没有形成耳朵的凹槽,这表明该基因在耳芽形成之前起作用。ba2突变体是在无法制作耳朵的玉米植物的大型遗传筛选中发现的,并且该基因通过分子作图染色体2来鉴定。

像这样的先前的筛选鉴定了不同基因中的突变,称为barren stalk1或ba1,这对于制作耳朵也是必需的。该另一基因在控制耳朵发育的分子信号传导途径中起关键作用。为了测试新鉴定的荒秆植物是否存在不同的问题,研究人员进行了遗传杂交,称为互补试验,并得出结论,他们在植物中观察到的表型是由完全不同基因的突变引起的。

“有趣的是,这实际上是一个失败的案例,”McSteen说。“我们发现我们的突变早在1930年就已被确定和定性,但在此之后的某些时间已经丢失了。能够重新发现它并将其添加回库存是令人兴奋的。”

通过一系列额外的分析,科学家发现ba2基因与ba1基因在遗传上相互作用,相应的蛋白质形成复合物。ba2还与已知调节ba1的其他基因相互作用。总之,这些发现表明ba2与ba1处于相同的分子信号传导途径中,并且这两个基因协同作用以调节耳朵的发育。

“最终目标是确定参与控制玉米穗的制造方式和时间的所有遗传参与者。通过鉴定这种新基因并证明它与BA1形成复合物来控制分生组织的发育,我们已经能够将这一点变得重要这个故事比以前所知的还要深刻,“麦克斯汀说。

参与该研究的其他研究人员包括宾夕法尼亚州立大学的Andrea Skirpan;Brian Waddell和Simon Malcomber与加州州立大学;和Hong Yao,Michaela S. Matthes,Norman Best,Tyler McCubbin,Amanda Durbak以及Taylor Smith和密苏里大学。

McSteen及其同事在同一期杂志的一篇评论文章中描述了玉米,水稻和拟南芥中生长素的基因研究现状。该综述特别关注已知参与“开启”生长素激素并将其置于植物中正确位置的基因。

“生长素很重要,因为它控制着一切。由于基因功能和表达的冗余,了解生长素合成,转运和信号传导中涉及的基因的功能一直很困难。但现在使用新的基因编辑工具,如CRISPR技术,每个人都对能够做到这一点感到兴奋,“McSteen说。

该研究由国家科学基金会资助。