10月5日，《自然-通訊》線上發表了華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室教授張祖新課題組重要成果。該研究鑑定了一個控制玉米果穗長度、每行籽粒數、每穗籽粒數目和籽粒產量的多效性QTL，證實了一個乙烯生物合成的關鍵基因ZmACO2為該QTL的功能基因，首次揭示了該基因控制花序中內源乙烯生物合成水平、影響小花敗育率進而控制穗粒數的新機制。
玉米是世界上最重要的禾穀類作物之一，其籽粒中的貯藏物質可用以滿足日益增長的人口對膳食、工業原料和生物燃料等的需求，因而，玉米籽粒產量的遺傳改良研究歷來倍受重視。透過長期的遺傳改良，玉米穗粒數不斷增加，籽粒產量不斷提高。
育種實踐證明，提高玉米籽粒產量的途徑有二：其一，在特定的種植密度下，透過增加小花數以提高單穗籽粒數；其二，透過增加種植密度以提高單位面積上的籽粒數。前者需要提高花序和小花發育的活性，增加可育小花數；後者則需克服密植條件對小花發育和小花育性的不利影響。可見，提高小花育性是提高籽粒產量的生物學基礎。
然而，科學家至今對玉米產量改良過程中所選擇的結實率和穗粒數基因以及其作用機理知之甚少。
前期，張祖新團隊已鑑定到一個參與花序分化的基因KNR6，揭示了其透過增加小花數、穗粒數而提高籽粒產量的分子機制。
近日，該團隊克隆了一個控制玉米穗粒數的重要基因ZmACO2，其編碼1-氨基環丙烷-1-羧酸氧化酶2(ACO2)，該基因參與花序發育程序中內源乙烯的生物合成。
試驗資料表明，利用CRISPR-Cas9基因編輯技術敲除ZmACO2基因，雌花序中內源乙烯的生物合成顯著減少，雌性小花的敗育率下降，結實率增加，最終導致玉米自交系單穗籽粒數增加。重要地是，敲除ZmACO2基因也可使雜交種增產約13.4% （圖1）。這一研究成果不僅首次揭示了內源乙烯生物合成與玉米花序發育和小花育性的關係，闡明瞭組織特異性表達的ZmACO2基因控制花序中內源乙烯水平、透過調控小花敗育率進而調節穗粒數和籽粒產量的新機制，也為利用基因編輯技術最佳化內源乙烯水平、提高小花育性和穗粒數提供了靶標基因。研究成果不僅有助於實現玉米密植高產的育種目標，也可為其它禾本科作物的相關研究提供借鑑。
圖1 ZmACO2基因敲除家系衍生雜交種的產量相關性狀評價 （課題組供圖）
該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。（來源：中國科學報 韓揚眉）
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