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                                  學術進展 | JAR:北京科技大學萬向元團隊系統總結玉米等禾本科作物籽粒大小和重量形成的分子機制與育種應用

                                  作者:龍艷

                                  玉米、水稻、小麥、高粱和大麥等禾本科作物是全球重要的糧食作物。籽粒大小和重量是作物產量的主要決定因素。盡管對禾本科作物籽粒大小、重量的基因挖掘和分子機制的研究不斷涌現,但對其潛在的分子機制及其育種應用的系統性綜述還不多,無法全面了解禾本科作物籽粒大小和重量研究的總體現狀、熱點和趨勢。

                                  2023年9月21日,北京科技大學生物農業研究院、伊犁師范大學生物育種產業研究院萬向元教授團隊在國際綜合性學術期刊 Journal of Advanced Research(IF: 10.7)上在線發表了題為Molecular mechanisms controlling grain size and weight and their biotechnological breeding applications in maize and other cereal crops 的綜述文章。文章首先利用文獻計量方法對近二十年來已發表的禾本科作物籽粒大小和重量的相關文章進行了全面梳理,系統分析研究熱點和發展趨勢;同時根據文章的關鍵詞全面歸納了籽粒大小和重量的遺傳調控途徑,并總結了主要調控途徑所涉及的基因及相關分子機制。然后,提出了利用基因組內和組間遺傳信息挖掘調控基因的思路。最后,給出了利用不同生物技術方法對已知基因進行操作以改良作物產量的實例。

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                                  被子植物的種子發育起始于雙受精,最終形成三倍體的胚乳和二倍體的胚。除了典型的種子結構外,不同禾本科作物間還存在一些形態差異(圖1A)。禾本科作物的籽粒大小和重量作為籽粒產量最直接的相關性狀,歷來是研究的熱點,尤其是近二十年來該研究領域發文量逐年增加(圖1B)。文獻計量分析幫助我們全面了解了籽粒大小和重量性狀的研究歷史、研究熱點及其發展趨勢。本文統計結果表明,籽粒產量、生長、胚乳發育等為研究頻率最高的主題詞,表明了研究人員對該生物學過程的關注程度。隨著研究的深入,目前研究的領域逐漸從單一性狀的研究過渡到環境條件對籽粒大小和重量的影響作用(圖1C)。

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                                  圖1. 近20年玉米等禾本科作物籽粒大小和重量性狀發表文獻量和熱點時間軸


                                  在文獻計量分析的基礎上,我們對禾本科作物研究涉及的主題詞進行統計分析,歸納了10種主要的研究方向(圖2A),并根據文獻大數據歸納了17種調控籽粒大小和重量的分子和遺傳途徑(圖2B)。

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                                  圖2. 玉米等禾本科作物籽粒大小和重量研究文獻的主題詞分類及歸納總結的調控途徑


                                  針對調控籽粒大小和重量的不同調控途徑,我們對8種主要的調控途徑及其涉及到的基因進行了總結,包括:泛素-蛋白酶體降解系統、G蛋白信號、絲裂原活化蛋白激酶信號以及已知的5種植物激素信號途徑(圖3)。

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                                  圖3. 調控玉米等禾本科作物籽粒大小和重量形成的8種分子途徑和信號通路


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                                  圖4. 7類轉錄因子控制玉米等禾本科作物籽粒大小和重量形成的分子途徑


                                  此外,有證據表明,RNA轉錄后調控在作物(尤其是玉米和水稻)籽粒大小和重量性狀形成中發揮重要作用。據此,我們總結了玉米和水稻中MicroRNAs(圖5A)、玉米中植物特異的Pentatricopeptide Repeat proteins(PPR)(圖5B)調控籽粒大小和重量形成的分子機制。

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                                  圖5. 控制玉米等禾本科作物籽粒大小和重量形成的轉錄后調控途徑


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                                  圖6. 調控玉米籽粒大小和重量形成的光合作用工作模型


                                  鑒于不同禾本科作物籽粒大小和重量相關基因挖掘和機制解析的研究進展不一致,本文提出了利用已發表相關遺傳信息和近緣作物基因組信息來進一步挖掘和解析調控基因的方法,并以玉米為例進行了展示,即收集并分析了玉米已發表文獻中的籽粒大小和重量的遺傳熱點區間,并列出了熱點區域內所有的PPR基因和候選基因(圖7A);同時,例證了在不同禾本科作物中已克隆的控制籽粒大小和重量基因的保守性和共線性(圖7B)。

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                                  圖7. 兩種發掘玉米和其他禾本科作物中籽粒大小和重量調控基因的方法途徑


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                                  圖8. 提高玉米等禾本科作物籽粒產量的生物技術策略


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                                  北京科技大學生物農業研究院龍艷教授、博士生王成劉昌為論文共同第一作者,萬向元教授為通訊作者。該論文相關研究得到了“十四五”國家重點研發計劃項目的資助。



                                  原文鏈接

                                  https://doi.org/10.1016/j.jare.2023.09.016


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