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利用基因組編輯技術提高小麥氮素利用效率和産量

  小麥爲全球人口提供主糧,小麥增産可緩解人口增長帶來的糧食危機。氮元素作爲植物生長發育所必需的一類營養元素,是制約農作物産量的重要因素。對作物氮素利用關鍵調控基因進行靶向編輯,是改良作物産量的有效策略。前期研究發現,水稻ARE1基因是調控氮素利用效率和産量的關鍵基因。ARE1基因在植物中高度保守,研究人員推測,對其它作物中ARE1基因的同源基因進行靶向編輯,有望獲得氮高效材料。 

 

  中國科學院遗传与发育生物学研究所左建儒研究组、高彩霞研究组、李俊明研究组、中國科學院成都生物所王涛研究组合作,利用基因组編輯技术,对ARE1基因在小麥中的同源基因進行了定點編輯,獲得了TaARE1基因不同變異的系列小麥are1材料。研究人員發現,TaARE1基因參與調控了小麥的耐低氮性。爲明確TaARE1基因對小麥産量的影響,研究人員連續多年開展了田間小區試驗。與對照材料相比,Taare1編輯材料具有明顯的晚衰表型,其主穗粒數和氮素利用效率均顯著增加。相應地,Taare1編輯材料的産量顯著增加,且在低氮生長條件下的增産效果更明顯(圖 A-D)。该研究表明,靶向編輯ARE1同源基因是改良作物氮素利用效率和産量的有效方法。 

 

圖:小麥are1突變材料增加氮素利用效率和産量。A: 對照材料科農199KN199)和3份小麥are1突變材料在高氮(HN)和低氮(LN)生長條件下的植株表型。B–D: KN1993are1突變材料在高氮和低氮生長條件下的主穗粒數、氮素利用效率(NUE)和單株産量的統計分析。

   

    

  該項研究成果于2021719日在線發表于Journal of Genetics and Genomics (JGG)雜志(DOI:10.1016/j.jgg.2021.07.003)。遺傳發育所博士後郭猛、王青和宗媛爲該論文的共同第一作者,左建儒研究員和高彩霞研究員爲該論文的共同通訊作者。相關工作得到國家農業農村部和植物基因組學國家重點實驗室的資助。