科学家发现决定玉米分蘖的基因由大刍草渗入

来源: 中国科学报 / 作者: 2019-12-10
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近日,中国农业大学农学院国家玉米改良中心教授林中伟课题组揭示了玉米株型演化的一个关键分子遗传机制。相关研究成果发表在《自然—通讯》上。

玉米的祖先大刍草具有许多分蘖,在野外环境具有明显进化优势。而驯化后的玉米往往是独秆、不产生分蘖,并且茎秆坚韧得以支撑高产的穗子。然而,在玉米多样化的演化过程中,甜玉米与爆裂玉米却偏离这种作物共有的驯化模式。两者往往产生 3~4 个分蘖。

究竟为何甜玉米、爆裂玉米会产生分蘖?又如何产生?作物驯化中的这种平行变化是否具有共同的分子遗传基础?

为此,课题组对甜玉米的主效分蘖 QTL-tin1 进行深入的分子遗传机理解析。研究发现,tin1 基因控制了一个复杂基因网络而促进玉米分蘖芽的不断伸长,最终分蘖形成。这种包含多途径的复杂基因网络使得 tin1 能够在分蘖抑制基因 tb1 强表达的情况下绕过 tb1 而形成分蘖。

序列分析表明,甜玉米 tin1 基因的这个剪接位点变异竟来自于大刍草。这个关键变异在大刍草和普通玉米种的分布比例很低,而在甜玉米和爆裂玉米种的比例达到 50%。转基因分析表明,该基因上调表达后,分蘖增加,同时雌穗数也相应增加。甜玉米是典型的鲜食玉米,主茎及分蘖上雌穗都可正常发育,这样分蘖长有雌穗便可增加产量。爆裂玉米的雌穗往往较小,同样分蘖增加会增加雌穗数,也无疑会提高产量。

由于所有栽培玉米包括甜玉米和爆裂玉米都包含有栽培型的 tb1 基因,这说明在玉米多样性演化的过程中,tin1 位点的关键变异是 tb1 在栽培玉米中固定之后,由大刍草渗入到甜玉米及爆裂玉米中。这种渗入促使甜玉米及爆裂玉米偏离了正常的驯化路径,部分地保留了其祖先的分蘖习性。(张晴丹)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-019-13425-6

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