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个人做网站能备案吗,教务管理系统密码忘记了怎么找回,企业vi设计公司案例,ssr网站开发自上世纪60年代“绿色革命”开始后#xff0c;育种家们通过半矮化育种、杂交育种等方法结合栽培管理技术#xff0c;使粮食作物的产量得到了大幅度的提升。然而#xff0c;近年来#xff0c;这种增长趋势逐渐进入了平台期#xff0c;全球部分种植区的玉米、水稻、小麦以及…自上世纪60年代“绿色革命”开始后育种家们通过半矮化育种、杂交育种等方法结合栽培管理技术使粮食作物的产量得到了大幅度的提升。然而近年来这种增长趋势逐渐进入了平台期全球部分种植区的玉米、水稻、小麦以及大豆单产处于停滞不前甚至下降的态势。因此利用现代分子育种手段提高粮食作物单产对于应对人口的持续增长、耕地面积减少以及气候变化具有重要的意义。那么哪些基因在作物高产育种方面具有潜在的优势呢接下来就跟着伯小远一起去看看吧。本篇文章速览水稻是我国最重要的粮食作物之一在人口持续增加和耕地面积减少的情况下培育高产优质的水稻品种不仅是科学研究领域的重要课题也是我国粮食安全的重要保障。近年来我国科学家在挖掘水稻高产基因方面接连取得了重大突破相应的文章也在权威期刊上相继发表。GY301暑期教研2023年7月华中农业大学邢永忠团队在Nature Genetics杂志上发表了题为“Suppressing a phosphohydrolase of cytokinin nucleotide enhances grain yield in rice”的研究论文该研究报道了一个水稻增产的重要基因GY3该基因通过调控细胞分裂素的合成显著增加水稻每穗的粒数从而提高水稻的产量该研究为水稻高产育种提供了重要的基因资源。在该研究中作者利用籼稻特青和粳稻02428构建的遗传群体克隆了产量基因GY3并发现来源于粳稻的GY3为优良等位基因具有增产效应。接着通过分析粳稻GY3的启动子作者发现GY3启动子区域有一个反转座子插入该反转座子的插入增强了GY3启动子区域的表观修饰降低了GY3的表达量从而增加了水稻每穗的粒数和产量。结合体内体外实验证实了GY3参与细胞分裂素的合成敲除或者抑制GY3的表达可减少细胞分裂素合成前体底物的无效消耗提高体内活性细胞分裂素的含量从而增加水稻的产量。最后作者将粳稻的GY3优良等位基因导入93-11等4个籼稻恢复系后图1发现改良后的恢复系的小区产量提高约9.1%~16.3%。利用这些改良恢复系配制的杂交种也比原始杂交种的小区产量提高约7.4%~15.4%。这些结果进一步证实了GY3在籼稻高产育种中的潜在应用价值图2。图1GY302428对93-11及其相关杂交种的产量性状的改善(Wu et al., 2023)。a-d93-11、93-11-GY302428、以及它们与PA64S的杂交种水稻的成熟期全株a、穗b、主枝c和穗结构d。e由6000个SNP阵列鉴定出的93-11-GY302428的遗传成分。f苗期叶片中GY3的相对表达量。g比较93-11、93-11-GY302428以及它们与PA64S的杂交种水稻在单个小区每个小区40株的产量。图2GY3决定水稻穗数大小和籽粒产量的模式图(Wu et al., 2023)。GY3编码一种LOG-like蛋白可以催化iPRMP转化为iPR。反转座子的插入诱导了H3K9me2的修饰并提高了GY3启动子内的DNA甲基化水平从而抑制了GY3的粳稻等位基因的表达。因此代谢通路中更多的iPRMP转化为tZRMP进一步转化为tZ一种细胞分裂素的活性形式从而增强OSH1和CYCD3;1的表达它们分别可以维持分生组织活性和促进细胞分裂。最后穗发育次生枝数增加籽粒产量实现增加。虚线表示调节网络箭头大小表示催化或调节强度。COG101暑期教研2023年3月中国农业大学水稻研究中心孙传清团队在Nature Communications杂志上发表了题为“OsMADS17simultaneously increases grain number and grain weight in rice”的研究论文。该论文揭示了一个调控水稻产量的关键基因COG1编码转录因子OsMADS17该基因能协同提高水稻穗粒数和粒重增加水稻产量。在该研究中作者以粳稻品种C418与江西东乡普通野生稻所构建的渗入系8IL73为研究材料通过遗传分析和图位克隆鉴定到了一个位于4号染色体长臂末端的关键基因COG1编码转录因子OsMADS17图3该基因的5’UTR区域有65bp的缺失使得其翻译效率降低进而促进穗粒数和粒重增加并提高产量图4。为了进一步鉴定OsMADS17的上下游基因作者通过转录组测序、RT-qPCR分析、酵母单杂交、EMSA、荧光素酶报告基因检测实验以及遗传转化等确定了OsMADS17的下游调控基因是OsAP2-39通过分析OsMADS17的启动子并结合酵母单杂交、EMSA等确定了OsMADS17的上游调控基因是OsMADS1。通过分析以C418为背景的RNAi转基因植物的表达水平发现C418RNAi-OsMADS17植株中的OsMADS17和OsAP2-39基因的表达量降低但OsMADS1没有明显变化。在C418RNAi-OsAP2-39植株中除OsAP2-39表达量显著下降外OsMADS1和OsMADS17的表达均未显著下降。这些都表明OsMADS1-OsMADS17-OsAP2-39参与调控水稻粒数和粒重的调控网络图5。最后作者通过田间试验表明在栽培稻中下调OsMADS17或OsAP2-39的表达水平均能同时增加穗粒数和粒重并提高产量。图3COG1的克隆和基因功能鉴定(Li et al., 2023)。aCOG1定位于4号染色体长臂19.6kb区域。b-dC418和C418CTP将8IL73的LOC_Os04g49150基因导入C418水稻中植株的主穗b、粒宽c粒长d。eOsMADS17在C418和C418CTP植株中的相对表达水平。f-hC418和C418CTP植株每个主穗的粒数f、千粒重g和每株籽粒产量h的比较n20。i-k8IL73和8IL73RNAi-OsMADS17植株的主穗i、粒宽j粒长k。lOsMADS17在8IL73和8IL73RNAi-OsMADS17植株中的相对表达水平。m-o8IL73和8IL73RNAi-OsMADS17植株每个主穗的粒数m、千粒重n和每株籽粒产量o的比较n20。图4OsMADS17基因的5’UTR有65bp缺失通过降低翻译效率来提高籽粒产量(Li et al., 2023)。a-cC418、C418CTP-WC、C418CTP-CW植株的主穗a、粒宽b粒长c。dOsMADS17在C418、C418CTP-WC和C418CTP-CW植株中的相对表达量。e-gC418、C418CTP-WC和C418CTP-CW植株每个主穗的粒数e、千粒重f和每株籽粒产量g的比较n20。h抗OsMADS17抗体的特异性检测。i-m水稻幼穗中OsMADS17蛋白水平的比较C418和8IL73i、C418和C418CTPj、C418、C418CTP-WC、C418CTP-CWk、8IL73和8IL73RNAi-OsMADS17l、8IL73和Mut-6m。n-o双荧光素酶报告实验分析。p-r8IL73和Mut-6植株的主穗p、粒宽q粒长r。sOsMADS17在8IL73和Mut-6植株中的相对表达水平。t-v8IL73和Mut-6植株每个主穗的粒数t、千粒重u和每株籽粒产量v的比较n20。w栽培水稻中OsMADS17De65-bp和OsMADS17In65-bp的基因型频率。xOsMADS17De65-bp基因型品种在亚洲地区的地理分布。注C418CTP-WC将来自8IL73的2.5kb的OsMADS17启动子与来自C418的OsMADS17转录区融合后转入C418背景材料中C418CTP-CW将来自C418的2.5kb的OsMADS17启动子与来自8IL73的OsMADS17转录区融合后转入C418背景材料中。图5OsMADS1、OsMADS17和OsAP2-39参与了调控水稻籽粒产量的调控网络(Li et al., 2023)。GSW301暑期教研2023年3月华南农业大学刘向东/王兰团队在Plant Physiology杂志上发表了题为“Natural Allelic Variation inGRAIN SIZE AND WEIGHT 3of Wild Rice Regulates the Grain Size and Weight”的研究论文该论文报道了一个调控水稻粒型的新基因GSW3该基因可以通过促进细胞分裂和细胞扩增来增加籽粒大小且增长效果明显在生产上具有重要的应用价值。在该研究中作者以短粒野生稻Huaye 3华野3号和长粒栽培稻KJ01为亲本构建分离群体定位到了野生稻中调控粒形粒重的自然变异等位基因GSW3。该基因编码一种GTPase调节蛋白负调控粒长、粒宽和千粒重。研究表明野生稻GSW3基因中插入了一段232bp的序列使其在Huaye 3中的表达量远远高于在KJ01的表达量且在水稻的根、茎、叶、穗中均有表达其中在穗部的表达量最高图6。将野生稻Huaye 3的GSW3基因敲除后在5种编辑突变体的水稻中均观察到籽粒的粒长、粒宽和千粒重明显上调。另外将野生稻Huaye 3的GSW3基因转入栽培稻KJ01中后转基因株系的籽粒明显变小在Huaye 3中过表达GSW3同样导致水稻籽粒变小和千粒重减少。通过细胞学观察作者发现GSW3可以通过促进籽粒外颖纵向细胞伸长、横向细胞增多来增加籽粒大小。结合敲除突变体和野生型Huaye 3的转录组测序数据作者进一步发现两者的差异基因主要集中在植物激素信号转导、淀粉和糖代谢等通路中。最后作者还发现GSW3编码区中的一个关键SNP与栽培稻种质的籽粒大小差异显著相关该SNP导致GSW3中第161位氨基酸从谷氨酰胺变为精氨酸使籽粒缩小。总之该研究的发表为创制高产水稻种质提供了新的思路。图6 亲本Huaye 3与KJ01间GSW3基因组序列差异及表达模式(Bai et al., 2023)。A使用MEGA7.0软件绘制水稻中GSW3和7个G蛋白的系统发育树其中星号表示GSW3。BGSW3在野生稻和栽培稻中的基因组序列差异。C通过RT-qPCR检测了Huaye 3和KJ01水稻中GSW3的表达模式。D通过RT-qPCR检测了Huaye 3不同发育状态穗中GSW3的表达差异。E通过RT-qPCR检测了Huaye 3不同发育时期籽粒中GSW3的表达差异。F籽粒不同组织和不同发育阶段的GUS活性的组织化学分析。图7GSW3转基因的表型分析(Bai et al., 2023)。AGSW3的2个靶位点生成的五种编辑类型其中“-”表示碱基删除。BT1代转基因株系中5个KO突变体的粒长和粒宽相对于野生型Huaye 3明显增加。CT1代转基因株系中5个KO突变体与野生型Huaye 3的粒长和粒宽差异分析。DT2代突变体KO-1和KO-2的植株表型。E不同转基因株系的籽粒表型比较。FT3代突变体KO-1和KO-2的产量分析。G突变体和过表达植株中GSW3的mRNA表达水平分析。H互补转化体的表型及GSW3的mRNA表达水平分析。IPA101暑期教研IPA1是一个典型的多效基因在增大穗部的同时降低分蘖数限制了其增加水稻产量的潜力。2022年4月中国科学院遗传与发育生物学研究所余泓、李家洋团队在Nature Biotechnology杂志上发表了题为“Targeting a gene regulatory element enhances rice grain yield by decoupling panicle number and size”的研究论文在该论文中作者利用平铺删除策略在水稻中编辑IPA1的顺式调控区图8得到了一个可以同时提高分蘖数和穗粒数的编辑材料IPA1-Pro10图9成功实现了水稻穗部和分蘖制约关系的解除为创制全新的遗传资源提供了有效的策略。小远在之前的推文中给大家详细介绍过IPA1的研究成果在此就不再详细赘述了大家对IPA1感兴趣的话可以查阅小远的前期推文“转录因子IPA1次次都能发顶刊是怎么做到的”图8 利用平铺删除策略编辑IPA1的顺式调控区红色表示靶点(Song et al., 2022)。图9ipa1-pro10为半显性等位基因(Song et al., 2022)。aipa1-pro10等位基因野生型-/-、杂合子/-以及纯合子/的植株形态和穗。b-j对野生型、杂合以及纯合植株的株高b、分蘖数c、每穗粒数d、茎径e、穗重f、根径g、着粒率h、千粒重i和每株产量j进行统计分析。小远有话说通过敲除或者干扰上述基因的表达可以有效的提高水稻的产量那么是否存在一些基因是通过过量表达来提高水稻的产量呢答案当然是肯定的接下来就跟着小远去一起看看吧~DREB1C01暑期教研2022年7月中国农业科学院作物科学研究所周文彬团队在Science杂志上发表了题为“A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice”的研究论文。该研究从光合碳同化和氮素吸收利用协同调控产量出发在水稻中鉴定到了一个同时受光和低氮诱导表达的转录因子OsDREB1C。该转录因子的过表达可同时提高水稻光合作用效率与氮素利用效率显著提升作物产量。此外还可以使水稻提前抽穗实现高产早熟。在该研究中作者首先对高/低氮处理条件下的水稻植株进行了RNA测序通过差异表达分析筛选出了OsDREB1C。为了解析该转录因子的功能作者在水稻中建立了OsDREB1C过表达株系和敲除突变体结合多点田间试验发现OsDREB1C过表达较野生型可实现水稻的显著增产图10并且抽穗期也有所提前图11。为了进一步解析OsDREB1C促进水稻高产早熟的分子机制作者利用多种分子生物学实验手段发现该转录因子主要通过分别与调控光合作用、氮素吸收转运以及开花途径的多个靶基因结合激活这些基因的表达进而协同调控水稻的光合作用效率、氮素利用效率以及抽穗期。最后作者还在小麦和拟南芥中验证了DREB1C是否具有保守功能结果显示OsDREB1C在小麦和拟南芥中同样发挥作用图12。图10 在转基因植物中过表达OsDREB1C可提高水稻产量(Wei et al., 2022)。ARNA-seq数据分析。BqRT-PCR分析了10日龄水稻中Os06g0127100的表达情况。C2018年在北京种植的WT和转基因水稻植株的表型。D-H产量相关数据分析包括每株产量D、每个小区产量E、每穗粒数F、茎秆重量G和收获指数H。图11OsDREB1C过表达导致开花提前缩短了水稻的整个生长周期(Wei et al., 2022)。A2019年在北京种植的WT、OsDREB1C-OE和OsDREB1C-KO植株在自然长日照条件下的生长情况。C2021年在北京田间种植的OsDREB1C-OE植株105 DAS抽穗期的生物量。D2019年在北京田间种植的水稻植株不同发育阶段112、129、139和152 DAS的SPAD值。E-I开花调控因子Hd3aE、RFT1F、OsMADS14G、Hd1H和Ehd1I在过表达和突变体植株中的相对表达水平。图12 OsDREB1C协调水稻产量和生长时间的机制图(Wei et al., 2022)。通过筛选118个与C4光合作用相关的转录因子发现OsDREB1C对光和低氮具有响应。OsDREB1C可以激活多个下游靶基因OsFTL1、OsRBCS3、OsNR2、OsNRT1.1B、OsNRT2.4增强水稻光合作用提高氮的利用以及提前开花。这些被激活的基因共同促进了水稻和小麦产量的大幅增加。文章至此就告一段落了因为篇幅有限本次只给大家介绍了作物高产相关基因的“冰山一角”大家如果对相关内容感兴趣的话小远在接下来的文章中会继续为大家更新哦最后希望这些论文可以早日应用在祖国的大地上更好的助力我国粮食产业的发展。ReferencesBai F, Ma H, Cai Y, et al. Natural allelic variation inGRAIN SIZE AND WEIGHT 3of wild rice regulates the grain size and weight.Plant Physiol.2023, kiad320.Li Y, Wu S, Huang Y, et al.OsMADS17simultaneously increases grain number and grain weight in rice.Nat Commun.2023, 14(1): 3098.Song X, Meng X, Guo H, et al. Targeting a gene regulatory element enhances rice grain yield by decoupling panicle number and size.Nat Biotechnol.2022, 40(9):1403-1411.Wei S, Li X, Lu Z, et al. A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice.Science.2022, 377(6604): eabi8455.Wu B, Meng J, Liu H, et al. Suppressing a phosphohydrolase of cytokinin nucleotide enhances grain yield in rice.Nat Genet.2023.