2018-03-02 16:25:18
對于油菜種植者來說，收獲油菜種子是他們一年的辛勞獲得回報(bào)的時刻。然而由于油菜果莢的開裂，他們實(shí)際收獲的種子往往達(dá)不到預(yù)期產(chǎn)量。他們更擔(dān)心收收獲時遇到反常氣候，因?yàn)闃O端氣候變化會導(dǎo)致果莢過早開裂，進(jìn)一步降低種子產(chǎn)量，從而影響經(jīng)濟(jì)收入。因此，他們更傾向于選擇抗開裂的油菜品種，這也對于油菜育種家提出了更高的要求。
記者了解到，油菜育種家在品種選育過程中，通常會使用與它同科的模式植物擬南芥作為最初的研究對象，因?yàn)閮烧呔哂邢嗨频男螒B(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在許多發(fā)育過程中的分子調(diào)控機(jī)制上也大同小異，但擬南芥也有其獨(dú)特優(yōu)勢。
日前，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授吳鴻團(tuán)隊(duì)在《植物生理學(xué)報(bào)》（Plant Physiology）在線發(fā)表論文，首次報(bào)道了擬南芥纖維素酶基因CEL6和半纖維素酶基因MAN7通過影響果實(shí)開裂區(qū)細(xì)胞的分化以及參與離層區(qū)細(xì)胞壁的降解，促進(jìn)果莢發(fā)育和開裂的細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)機(jī)制。
擬南芥具有其獨(dú)特優(yōu)勢
擬南芥在植物學(xué)中所扮演的角色，正如小白鼠在醫(yī)學(xué)中和果蠅在遺傳學(xué)中的一樣，是在植物科學(xué)包括遺傳學(xué)和植物發(fā)育研究中的模式生物之一。
吳鴻在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時表示，擬南芥除了與油菜具有相似的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，其還有生長周期短、分子遺傳背景清晰、相關(guān)遺傳改造實(shí)驗(yàn)技術(shù)成熟、形態(tài)發(fā)育結(jié)構(gòu)研究積累豐富、突變體材料可以輕易通過從突變體庫購買來獲得、各種相關(guān)研究資料非常豐富等獨(dú)特優(yōu)勢。
果莢開裂是一種常見的植物傳播后代的方式，有利于擴(kuò)大后代植株的生長范圍，為繁榮種族以及提高植物的適應(yīng)性提供了有利條件和保證。然而，其卻并不一定有利于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)采收。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)采收中，農(nóng)作物會因氣候變化而導(dǎo)致的果莢過早開裂往往直接影響到作物的收成，造成大量的浪費(fèi)。
例如，歐洲油菜每年因果實(shí)開裂而造成的損失平均可達(dá)年產(chǎn)量的20％，在極端氣候條件下?lián)p失會進(jìn)一步增加到50％甚至更多。因此，選育抗開裂的油菜品種可以有效少果莢開裂造成的經(jīng)濟(jì)損失。
吳鴻介紹，早前對擬南芥果莢開裂的研究主要停留在對轉(zhuǎn)錄因子的研究層面。轉(zhuǎn)錄因子是一種結(jié)合蛋白，與RNA聚合酶形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體，共同參與轉(zhuǎn)錄起始的過程因此調(diào)控著下游許多基因的轉(zhuǎn)錄水平。所以它們的突變體的表型一般都比較明顯，一般都是完全不開裂，容易被發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證。
但正由于這些果莢完全不開裂，必須得通過人為撕開果莢來獲得種子。“因?yàn)殡m然不會受到開裂所帶來的損失，但由于無法開裂，也就無法通過機(jī)器震蕩獲得種子，只能人工撕開果實(shí)來收獲種子，反而增加人工成本。”吳鴻說。
因此，對于吳鴻團(tuán)隊(duì)來說，尋找果莢開裂相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子下游的參與果莢開裂的關(guān)鍵基因，并通過控制相關(guān)基因的表達(dá)，培育抗開裂、晚開裂的油菜品種，便能既解決采收前油菜果莢開裂的問題，又能通過采收后的機(jī)械震蕩迅速獲得種子，達(dá)到兩全其美的效果。
研究成果易于向油菜轉(zhuǎn)化
實(shí)際上，由于果莢開裂過程中涉及離層細(xì)胞壁的降解，所以可以降解細(xì)胞壁主要成分的纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶在此過程中起著重要的作用。
但是，“纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶基因均是成員達(dá)25以上的基因家族，篩選出果膠開裂相關(guān)的關(guān)鍵基因具有一定的難度”。吳鴻告訴記者。
目前在業(yè)界，除了ADPG1和ADPG2已被證明是擬南芥果莢開裂所必需的果膠酶外，參與果實(shí)發(fā)育和開裂的纖維素酶和半纖維素酶基因尚未有報(bào)道。
吳鴻研究團(tuán)隊(duì)通過生物信息學(xué)表達(dá)數(shù)據(jù)庫分別篩選出一個纖維素酶基因CEL6和一個半纖維素酶基因MAN7，并通過定量PCR和構(gòu)建啟動子GUS表達(dá)植株研究該基因的表達(dá)模式，從而確定了上述兩個基因均在成熟果莢的開裂區(qū)特異表達(dá)且都部分受到果莢開裂相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子IND和ALC的調(diào)控。
同時，他們團(tuán)隊(duì)還通過超薄切片技術(shù)結(jié)合電鏡進(jìn)一步觀察分析突變體和野生型擬南芥果莢開裂區(qū)細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在突變CEL6和MAN7基因后，果實(shí)開裂區(qū)的木化區(qū)分化會延緩，同時果實(shí)發(fā)育和開裂也會推遲，而且離層區(qū)細(xì)胞相對野生型來說更為窄小。
吳鴻表示，更為有趣的是，在角果成熟開裂時，本應(yīng)降解的離層細(xì)胞的細(xì)胞壁沒有降解并維持完整的形態(tài)結(jié)構(gòu)，這也是突變體出現(xiàn)抗開裂性狀的主要原因。
根據(jù)研究，上述結(jié)果說明纖維素酶CEL6和半纖維素酶MAN7參與果莢開裂過程，并起著關(guān)鍵作用。該團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步研究，表明了調(diào)節(jié)多種細(xì)胞壁降解酶的活性可以通過操縱離層細(xì)胞降解來控制角果抗開裂的程度。
據(jù)了解，理順并明確參與果莢開裂的細(xì)胞壁水解酶可大幅度降低篩選抗開裂優(yōu)質(zhì)油菜品種的難度。“通過檢測相關(guān)細(xì)胞壁水解酶的表達(dá)水平來篩選抗開裂油菜品種的方式比田間測試統(tǒng)計(jì)果莢開裂率對樣本量的需求少、受環(huán)境因素影響低，而且能極大地減少篩選抗開裂油菜所需要的工作量。”吳鴻告訴記者。
目前，隨著我國農(nóng)業(yè)科學(xué)院對油菜的全基因組測序的完成，通過同源比對即可在油菜全基因數(shù)據(jù)庫里找到與擬南芥基因相對應(yīng)的油菜同源基因，加上CRISPR/Cas9基因編輯方式的出現(xiàn)，使得在油菜中人為定點(diǎn)突變目標(biāo)基因成為可能。
“我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多抗開裂的優(yōu)秀油菜品種將出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，優(yōu)質(zhì)油菜品種的培育將具有光明的前景。”吳鴻說。
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