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最新研究發現數個可提升高粱產量的關鍵基因

2019/11/07 @國際

摘要

美國冷泉港實驗室連袂美國農業部農業研究局研究團隊,在高粱結穗的遺傳與基因調控機制的研究中發現數個關鍵調控基因,可使得無柄小穗在缺乏茉莉酸的調控下產生多穗的特徵,產量則較野生型多出200%的結穗量。

最新研究發現數個可提升高粱產量的關鍵基因

  高粱(sorghum, Sorghum bicolor)為全球重要的禾本科植物,是世界主要的糧食作物之一,在許多地區皆有保有不同的栽培品系。高粱是屬於圓錐花序(panicle),其花序上擁有兩種不同的小穗(spikelet)型式,其一為不結穗之無柄小穗(sessile spikelet),另一型式則為結穗之有柄小穗(pedicellate spikelet),若能釐清其中結穗的遺傳與基因調控機制,將有助於提升高粱產量。由美國冷泉港實驗室(Cold Spring Harbor Laboratory,簡稱CSHL)與美國農業部農業研究局(United States Department of Agriculture’s Agricultural Research Service,簡稱ARS)的植物學家共同組成的研究團隊找出高粱花序發育的基因調控機制,可望提升高粱2倍的產量。
  研究團隊在研究中發現數個關鍵調控基因,並研究其對花序發育的影響。研究團隊已於先前的研究中,藉由分子生物學與植物生理學的研究,找出關鍵轉錄因子(transcription factor)──MSD1 (multiseeded 1),目前已知MSD1是一種TCP (Teosinte branched/Cycloidea/PCF)轉錄因子,可調控茉莉酸(jasmonic acid,簡稱JA;為重要植物生長發育激素)的生合成,並影響花序的生長發育,最終影響作物結穗的多寡。
  在近期的研究中,研究團隊發現MSD2基因,並發現其所編碼(encode)的蛋白質──LOX (lipoxygenase)。研究中更進一步發現,MSD1會與MSD2在內的多個參與茉莉酸生合成的基因發生交互作用,研究發現MSD1會與上述基因的啟動子(promoter)區域結合,影響下游基因的表現量。在一般的情況下,MSD1會與MSD2基因上游的啟動子結合,成為茉莉酸生合成的關鍵步驟(committed step),最終調控花序正常生長。在最新的研究中,研究團隊發現具基因點突變的msd2個體將影響茉莉酸生合成,花序發育將因此發生改變,使得無柄小穗在缺乏茉莉酸的調控下產生孕性(fertility),產生多穗(multiseeded)的特徵,產量則較野生型多出200%的結穗量。
  研究團隊對於高粱在轉錄調控方面研究中的發現,將可應用在植物品系選育方面,並可望用於提升作物糧食生產,提高糧食安全並造福全人類。
  該研究由美國農業部、南韓農村振興廳(Rural Development Administration)等機構資助。相關研究成果已發表在<International Journal of Molecular Sciences>。

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