更多基因在高性能玉米中活躍

當(dāng)兩個(gè)玉米自交系相互雜交時(shí)，會產(chǎn)生有趣的效果：雜交后代的產(chǎn)量顯著高于兩個(gè)親本植物中的任何一個(gè)。波恩大學(xué)的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)研究了許多遺傳上不同的雜種。他們表明，后代比原來的父母有更多的活躍基因。這些結(jié)果可能有助于培育更高產(chǎn)的玉米品種。它們發(fā)表在Current Biology期刊上。

植物育種者早就知道不同近交系的雜交對產(chǎn)量有積極影響。然而，這種所謂的“雜種優(yōu)勢效應(yīng)”的原因尚不清楚。“出于這個(gè)原因，我們在幾年前仔細(xì)研究了一種特定的近交系雜交組合，”波恩大學(xué)作物科學(xué)與資源保護(hù)研究所(INRES)的Frank Hochholdinger教授解釋道。“我們能夠證明雜交后代比其父母有更多的活性基因。但那時(shí)，我們不知道這是否適用于這種特定的親本植物組合，或者它是否是一種通用機(jī)制。”

因此，在本研究中，科學(xué)家不僅研究了一種，而且研究了六種不同的近交系雜交組合。親本近交系遠(yuǎn)緣相關(guān)并均勻分布在整個(gè)玉米系統(tǒng)發(fā)育樹中。這幾乎就像是將臘腸犬與牧羊犬，然后是一只哈巴狗，最后是拉布拉多犬。

“我們現(xiàn)在已經(jīng)分析了哪些基因在原始植物中轉(zhuǎn)錄，哪些基因在后代中轉(zhuǎn)錄，”INRES的Jutta Baldauf解釋道。“這證實(shí)了我們早期工作的結(jié)果：雜交種總是含有比父母更多的活性基因。”

補(bǔ)充使玉米更有效率

玉米植物含有每種基因的兩種變體，也稱為等位基因。其中一個(gè)等位基因來自女性，另一個(gè)來自父本。它們通常不是同樣活躍的，其中一個(gè)變體的讀取頻率高于另一個(gè)。有些等位基因甚至可能完全被關(guān)閉。

由于近交系的繁殖意味著它們在許多代中自花授粉，因此它們的大多數(shù)基因的兩個(gè)等位基因是相同的。這可能導(dǎo)致某些基因根本不被轉(zhuǎn)錄。然而，這些基因可能在另一個(gè)近交系中有活性。如果這些親本系現(xiàn)在彼此雜交，則一個(gè)親本的活性基因補(bǔ)充后代中另一個(gè)親本的無活性基因。

“平均而言，我們在后代中計(jì)算出更多活躍的基因，”Baldauf解釋說。而且不僅僅是更多：科學(xué)家平均將基因增加500至600個(gè)額外活性基因。玉米的遺傳物質(zhì)總共包含約40,000個(gè)基因。“SPE基因的互補(bǔ)，縮寫代表”單親表達(dá)“，可能是雜交種比父母表現(xiàn)更好的因素之一，”Hochholdinger教授說。

玉米有許多基因幾百萬年來基本保持不變。這些“老”基因?qū)χ参锓浅Ｖ匾?，它們的突變可以顯著影響植物的生長。相反，大多數(shù)SPE基因在進(jìn)化過程中后期發(fā)展。它們不具有重要的關(guān)鍵功能，因此可以在一個(gè)玉米自交系中活躍，但不能在另一個(gè)玉米自交系中活躍。其中許多屬于某些所謂的轉(zhuǎn)錄因子。這些是調(diào)節(jié)其他基因活性的蛋白質(zhì)。

該結(jié)果可能有助于在中期內(nèi)培育表現(xiàn)更好的玉米品種。“使用SPE基因，我們?yōu)橹参锓N植者提供了用于此目的的遺傳標(biāo)記，”Hochholdinger強(qiáng)調(diào)說。“有可能在這些標(biāo)記的基礎(chǔ)上選擇特定的雜交伙伴，這可能會產(chǎn)生特別高產(chǎn)的雜交種。”這對于不斷增長的世界人口的長期營養(yǎng)非常重要：專家預(yù)計(jì)到2050年農(nóng)業(yè)產(chǎn)量必須增加70%。玉米已經(jīng)是目前生產(chǎn)力最高的作物;因此它在營養(yǎng)方面起著特別重要的作用。

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