Plant geneticists demonstrate new means of boosting maize yields

A team of plant geneticists at Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) has successfully demonstrated what it describes as a "simple hypothesis" for making significant increases in yields for the maize plant.

Biology / Biotechnology

据物理学家组织网站（Phys.org）2013年2月3日报道，冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory, 简称CSHL) 的植物遗传学家已经成功地证明了让玉米的产量显著增加一个“简单的假说”。 在北美被大多数人称为玉米(corn)是玉蜀黍植物（the Zea mays plant）的变种，都是全球数十亿人最不可或缺的粮食作物之一，因为全球人口数量超过60亿，在21世纪中叶估计全球人口的数量会向80亿到90亿迈进，所以，努力提高基本粮食作物的产量呈现的潜在意义更大。

由CSHL的大卫·杰克逊（David Jackson）教授和他的同事们合作研究的新发现，2013年2月3日已经在《自然遗传学》（Nature Genetics）杂志网上发表，代表了过去10年研究和创造性思维如何对玉米进行遗传操作,使玉米的产量提高的最高水平。植物的生长和发育取决于储藏在植物内的分生组织结构，而分生组织是由植物干细胞组成。例如，当由遗传信号提示时,分生组织中的细胞发育成植物的器官——叶子和花朵。杰克逊的研究团队已经对分生组织中的细胞发育很感兴趣，究竟在调节植物干细胞的过程中是怎样量变的，植物的生长和产量与其有关吗？ “我们的简单的假设就是花絮分生组织的大小增加, 最终引起开花,授粉后会形成种子,将为结构发育成为玉米粒提供更多的实体空间。”

Peter Bommert博士是杰克逊实验室的一位以前的博士后研究员，对几种玉米变异体完成了一项分析技术,揭示了科学家称之为数量性状基因(QTLs):沿着染色体的位置“图”直指到特定的复杂性状如产量。分析指出,是杰克逊自2001年以来一直很感兴趣的一种基因, 杰克逊第一次克隆它时，一种玉米基因被称为FASCIATED EAR2或者简称FEA2。

克隆该基因后不久,杰克逊有一群有天赋的长岛（Long Island）高中学生,也是未来合作伙伴的一部分,对数以千计的玉米棒执行过分析。他们的任务是精心计算每个玉米棒拥有的玉米粒的行数。这是英特尔科学竞赛中赢得了青少年荣誉研究项目的一部分, 同时,杰克逊也获得了重要的数据,现已经开花结果。

实验室目前的研究已经表明,通过产生一个弱于正常情况的FEA2基因，虽然其蛋白质发生了突变,但并非功能完全丧失,因为杰克逊假定,增加分生组织的大小,而这样做,得到一种玉米植物，以便产生具有更多行的玉米粒和更多的玉米粒的玉米棒。会更多吗？两种不同的玉米变异作物,杰克逊研究团队在两个地点培养了FEA2的弱化品种,平均每个包谷棒有18到20行，玉米粒总数可以达到289粒，与相同的品种野生型玉米相比较,每个包谷棒只有14到16行，玉米粒总数也只有256粒。与后者的玉米粒总数相比较，FEA2突变体的包谷棒玉米粒产量增加13%。

     杰克逊说：“值得我们非常兴奋的是，玉米粒产量的增加并没有导致包谷棒长度的减少或簇生（即一株多穗情况）的变异。”这两个特点中的任何一个都可以大幅降低产量,而且它们都是显著的，当FEA2完全丢失时就会出现上述2种情况,这些已经被该研究团队的实验所证明。墨西哥类蜀黍也称大刍草（Teosinte）是一种卑微的野生杂草, 中美洲人大约7000年前就已经开始对其进行改良研究,开始了一个导致玉米驯化的过程,培育出只有2行玉米粒的包谷棒品种，这种植物的现代精英各种各样，多达20种。该研究的下一步就是混合型模式“弱”FEA2基因变体即等位基因,伴随着更高的玉米粒产量和最好的包谷棒玉米粒行数，用于当今的玉米生产。

More information: "Quantitative variation in maize kernel row number is controlled by the FASCIATED EAR2 locus" appears online in Nature Genetics on February 3, 2013.