玉米育种,如何更快适应新气候的遗传研究

发布者:bpadmin
发布时间:2020-03-02 11:16
分类:全部资讯 原创内容 最新动态 研究报告
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玉米是全世界的主食。在美国,玉米更是众所周知。2018年美国种植了近9000万英亩玉米,作物现金收入达472亿美元。 但是,在气候变化的影响下,玉米,这个标志性的作物可能表现不会那么好。随着世界到2050年要养活90亿的人口,这会有重大影响。那么,我们能做些什么呢?答案可能是来自异域的玉米基因。




由特拉华大学 (University of Delaware)植物遗传学家兰迪·威瑟(Randy Wisser)领导的一个多机构团队解码了热带环境中的玉米如何适应美国夏季温带生长季的遗传图谱。威瑟认为这些很少在育种中使用的外来品种是创造下一代玉米品种的关键。

研究团队由来自特拉华大学、北卡罗来纳州立大学、威斯康星大学、密苏里州大学、爱荷华州立大学、德克萨斯农工大学和美国农业部-农业研究服务部的科学家组成。这项由《遗传学》杂志编辑委员会强调的研究,为了解玉米的未来生存能力提供了一个新的视角。威瑟说:“如果我们能通过使用外来品种来扩大遗传基础,或许我们就能对抗在气候变化中玉米出现的疾病和干旱等压力。这对于数十亿依赖玉米作为食物的人至关重要。”

现代玉米品系仅由全球玉米种群的一小部分培育而成。这种有限的多样性引发了人们对美国玉米在气候变化中的脆弱性的担忧。美国农业部(USDA)种子库包括数万个品种,但其中许多都没有被使用。合著者之一,北卡罗来纳州美国农业部农业研究服务处的植物遗传学家吉姆·霍兰德(Jim Holland)表示:“我们知道,热带玉米品种代表着我们最大的遗传多样性储备。这项研究提高了我们对这些遗传特性的理解,因此我们可以利用这些信息来指导未来的育种工作,以保护玉米作物。”

例如,某些外来玉米品系能更好地适应干旱、渍水或低氮土壤,但由于这些品系是在美国以外进化的,它们并不适合特拉华州种植。因此,异国品系首先需要预先适应当地环境。在之前的工作中,威瑟和他的同事们展示了通过10年的重复基因选择才使热带玉米品系适应了美国温带地区。合著者Arnel Hallauer花了10年时间通过选择性育种让种群适应,这样才能在特拉华州当地环境中茁壮成长。

威瑟在谈到实验设计时说:“很酷的是,我们可以回到Hallauer博士的最初几代亲本那里,在同一个农田中并排种植他们。让我们可以排除环境对每个性状的影响,直接暴露出进化中的遗传成分。这打开了一个‘回到未来’的渠道,我们可以在这里重新设计开发现代品种的方法。”

虽然令人印象深刻,但当气候变化的时钟滴答作响时,十年适应新环境的时间却是很长的。威瑟说:“不幸的是,这一过程需要10年时间,这还没有包括正在进行的评估,并将外来遗传特征整合到更常用的玉米品种当中。考虑到我们面临的气候威胁,这是一段很长的时间。因此,若能洞察这一进化过程将有助于我们设计出缩短时间跨度的方法。”

加速适应

威瑟没有浪费任何时间,他正在探索如何增强玉米生存和茁壮成长的方法。他和霍兰德正在研究一个新项目,将这一时间跨度缩短一半。在由美国农业部国家粮食和农业研究所资助的尖端研究中,该团队正在分析玉米基因组在目标环境中的行为,目的是制定一个适应能力的预测模型。

威瑟说:“我们正在做的是对基因组进行测序,并测量一代的开花时间或疾病等特征。由此,我们可以生成一个查询表,让我们仅根据他们的基因图谱就能预测下一代中哪些个体拥有最好的特征。我们的查询表可以进行定制,以预测玉米个体在特拉华州等特定环境或地点的表现。”

这意味着可以在特拉华州以外的任何地方种植第二代玉米进行育种,但仍然可以预测哪些个体最适合特拉华州的环境。威瑟说:“例如,即使这些植物生长在不存在病害的地方,我们的预测模型仍然可以选择抗病植物并与它们杂交,以丰富构成抗病的基因。”

有了这种方法,研究人员不必等待特拉华州的冬天,这样他们就可以继续预先适应种群,每年至少多育出一代。这就是为什么10年的预适应选择性育种可能变成5年的原因,为获得外来遗传性状提供了一条更快的途径。

这项努力与基因组到农田(Genomes To Fields,G2F)倡议有关。该倡议始于2013年,旨在了解和利用基因组与作物表现之间的联系,造福种植者、消费者和社会。如果威瑟和霍兰德能够开发出一种快速预适应外来品系的方法,这就为G2F测试这些独特的基因组对作物表现的影响开辟了一条道路。

“我们的目标是推动科学的发展,这样育种者就可以利用几千年进化过程积累的更广泛的多样性,”威瑟解释说,他从一开始就参与了这项公私合作的倡议。“反过来,他们可以为面临气候变化挑战的生产者和消费者生产改良品种。”


文献引用:

Randall J. Wisser, Zhou Fang, James B. Holland, Juliana E. C. Teixeira, John Dougherty, Teclemariam Weldekidan, Natalia de Leon, Sherry Flint-Garcia, Nick Lauter, Seth C. Murray, Wenwei Xu, Arnel Hallauer. The Genomic Basis for Short-Term Evolution of Environmental Adaptation in MaizeGenetics, 2019; 213 (4): 1479 DOI: 10.1534/genetics.119.302780
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