【中国科学报】拟南芥为油菜育种开辟新路径

撰写时间:2018-03-11来源:华南农业大学

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/2/403902.shtm?from=timeline&isappinstalled=1时间:2018年2月28日 来源:中国科学报 第6版

拟南芥

  ■本报记者 秦志伟

  对于油菜种植者来说,收获油菜种子是他们一年的辛劳获得回报的时刻。然而由于油菜果荚的开裂,他们实际收获的种子往往达不到预期产量。他们更担心收收获时遇到反常气候,因为极端气候变化会导致果荚过早开裂,进一步降低种子产量,从而影响经济收入。因此,他们更倾向于选择抗开裂的油菜品种,这也对于油菜育种家提出了更高的要求。

  记者了解到,油菜育种家在品种选育过程中,通常会使用与它同科的模式植物拟南芥作为最初的研究对象,因为两者具有相似的形态结构特点,在许多发育过程中的分子调控机制上也大同小异,但拟南芥也有其独特优势。

  日前,华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室教授吴鸿团队在《植物生理学报》(Plant Physiology)在线发表论文,首次报道了拟南芥纤维素酶基因CEL6和半纤维素酶基因MAN7通过影响果实开裂区细胞的分化以及参与离层区细胞壁的降解,促进果荚发育和开裂的细胞学和分子生物学机制。

  拟南芥具有其独特优势

  拟南芥在植物学中所扮演的角色,正如小白鼠在医学中和果蝇在遗传学中的一样,是在植物科学包括遗传学和植物发育研究中的模式生物之一。

  吴鸿在接受《中国科学报》记者采访时表示,拟南芥除了与油菜具有相似的形态结构特点外,其还有生长周期短、分子遗传背景清晰、相关遗传改造实验技术成熟、形态发育结构研究积累丰富、突变体材料可以轻易通过从突变体库购买来获得、各种相关研究资料非常丰富等独特优势。

  果荚开裂是一种常见的植物传播后代的方式,有利于扩大后代植株的生长范围,为繁荣种族以及提高植物的适应性提供了有利条件和保证。然而,其却并不一定有利于农业的生产采收。在农业生产采收中,农作物会因气候变化而导致的果荚过早开裂往往直接影响到作物的收成,造成大量的浪费。

  例如,欧洲油菜每年因果实开裂而造成的损失平均可达年产量的20%,在极端气候条件下损失会进一步增加到50%甚至更多。因此,选育抗开裂的油菜品种可以有效少果荚开裂造成的经济损失。

  吴鸿介绍,早前对拟南芥果荚开裂的研究主要停留在对转录因子的研究层面。转录因子是一种结合蛋白,与RNA聚合酶形成转录起始复合体,共同参与转录起始的过程因此调控着下游许多基因的转录水平。所以它们的突变体的表型一般都比较明显,一般都是完全不开裂,容易被发现和验证。

  但正由于这些果荚完全不开裂,必须得通过人为撕开果荚来获得种子。“因为虽然不会受到开裂所带来的损失,但由于无法开裂,也就无法通过机器震荡获得种子,只能人工撕开果实来收获种子,反而增加人工成本。”吴鸿说。

  因此,对于吴鸿团队来说,寻找果荚开裂相关转录因子下游的参与果荚开裂的关键基因,并通过控制相关基因的表达,培育抗开裂、晚开裂的油菜品种,便能既解决采收前油菜果荚开裂的问题,又能通过采收后的机械震荡迅速获得种子,达到两全其美的效果。

  研究成果易于向油菜转化

  实际上,由于果荚开裂过程中涉及离层细胞壁的降解,所以可以降解细胞壁主要成分的纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶在此过程中起着重要的作用。

  但是,“纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶基因均是成员达25以上的基因家族,筛选出果胶开裂相关的关键基因具有一定的难度”。吴鸿告诉记者。

  目前在业界,除了ADPG1和ADPG2已被证明是拟南芥果荚开裂所必需的果胶酶外,参与果实发育和开裂的纤维素酶和半纤维素酶基因尚未有报道。

  吴鸿研究团队通过生物信息学表达数据库分别筛选出一个纤维素酶基因CEL6和一个半纤维素酶基因MAN7,并通过定量PCR和构建启动子GUS表达植株研究该基因的表达模式,从而确定了上述两个基因均在成熟果荚的开裂区特异表达且都部分受到果荚开裂相关转录因子IND和ALC的调控。

  同时,他们团队还通过超薄切片技术结合电镜进一步观察分析突变体和野生型拟南芥果荚开裂区细胞形态结构的差异,结果发现在突变CEL6和MAN7基因后,果实开裂区的木化区分化会延缓,同时果实发育和开裂也会推迟,而且离层区细胞相对野生型来说更为窄小。

  吴鸿表示,更为有趣的是,在角果成熟开裂时,本应降解的离层细胞的细胞壁没有降解并维持完整的形态结构,这也是突变体出现抗开裂性状的主要原因。

  根据研究,上述结果说明纤维素酶CEL6和半纤维素酶MAN7参与果荚开裂过程,并起着关键作用。该团队通过进一步研究,表明了调节多种细胞壁降解酶的活性可以通过操纵离层细胞降解来控制角果抗开裂的程度。

  据了解,理顺并明确参与果荚开裂的细胞壁水解酶可大幅度降低筛选抗开裂优质油菜品种的难度。“通过检测相关细胞壁水解酶的表达水平来筛选抗开裂油菜品种的方式比田间测试统计果荚开裂率对样本量的需求少、受环境因素影响低,而且能极大地减少筛选抗开裂油菜所需要的工作量。”吴鸿告诉记者。

  目前,随着我国农业科学院对油菜的全基因组测序的完成,通过同源比对即可在油菜全基因数据库里找到与拟南芥基因相对应的油菜同源基因,加上CRISPR/Cas9基因编辑方式的出现,使得在油菜中人为定点突变目标基因成为可能。

  “我们相信,随着科学技术的发展,越来越多抗开裂的优秀油菜品种将出现并广泛应用于农业生产中,优质油菜品种的培育将具有光明的前景。”吴鸿说。

(责任编辑:方玮)


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