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编译服务: 农业科技前沿与政策咨询快报 编译者: 李楠 编译时间: Nov 28, 2017 浏 览 量: 53

日前,美国冷泉港实验室(Cold Spring Harbor Laboratory, CSHL)副教授扎卡里·利普曼(Zachary Lippman)团队利用基因编辑技术CRISPR改变了两种常见番茄植株的基因,从而使番茄的开花及成熟期比普通商业手段培育出的番茄缩短了2周以上,这意味着作物在每个生长季内的产量都会更高,也就意味着作物可以在更高纬度地区生长。该研究成果已经发表在《自然遗传学》(Nature Genetics)。

这项研究成果得益于利普曼团队对于多种作物的花期进化情况及其野生近缘种的持续研究,进而发现了家养植物对于白昼长度的不敏感性现象。众所周知,植物“成花素激素”和“反成花素激素”组成了一种被称为自我抵消(SELF PRUNING, SP)的系统,按照阴阳交替的方式控制着植物的花期,进而影响其第一次成熟期。起初,研究人员观察到,生长于全年昼夜平分的加拉帕戈群岛(Galapagos Islands)的野生番茄种对于日照长度极其敏感,白天越长,花期也就越长;而在北半球较高纬度并且夏天日照更长环境下,开花则非常晚且几乎不结果实,如果光照时间短一些并接近植物原生环境时,则开花便会更快。因此,为了揭示栽培的番茄植株不如野生近缘种对光照更为敏感的原因,研究者们将这种生长于加拉帕戈群岛的野生番茄植株分别种植在纽约的温室以及土地中,结果发现由SP5G基因(SP5G是同一种成花素和反成花素基因家族中的一员,能够控制番茄的花期)编码的反成花素激素的表达和活动都有了明显的不同,开花时间变得更晚。相反,家养的番茄植株中反成花素激素的反应则减弱了很多,由此发现了家养番茄丧失白昼长度敏感性的奥秘:SP5G反成花素激素的表达十分有限。利普曼推测,这些遗传变化很有可能在16世纪西班牙征服者科特斯(Cortez)将番茄从墨西哥带到欧洲,并在北半球中纬度地区广泛栽培的时代之前就已经发生了。

最终,基于以上研究结果,该团队利用基因编辑技术CRISPR诱导SP5G基因中细小的基因突变,从而使这种基因失去活性,使其不能产生任何反成花素激素。这种改造过的SP5G基因被引入到罗马番茄和圣女果中后,它们的开花期来得更早,果实成熟期也随之提早了。控制另一种反成花素基因使得番茄植株以更密集更紧凑、类似于灌木的方式生长,其开花和结果的时间也进一步提早,这一特征被研究团队称之为“双重决定(double-determinate)”。

这项技术不仅仅是简单地提高作物的产量,而是创造出一个基因匣子,帮助种植者和培育者在一个生长期内改变作物的开花期及产量,使优良的作物物种适应地球上的各种环境,进而大大扩展作物栽培的地理范围。这项技术不仅可以应用于番茄种植,同样也可以应用到玉米、大豆以及多种我们赖以生存的粮食作物上。 

(编译 李楠)

  
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