具有正常CLV基因活性的未修飾的玉米穗（左1）長滿規則的籽粒。CLV基因活性為零（左2），玉米穗軸縮短，籽粒不規則排列，并且產量降低。通過啟動子編輯降低該基因的活性（左3）可讓籽粒和產量增加，而增加基因活性（左4）則降低籽粒和產量。劉磊供圖
玉米的穗大小對產量至關重要，而穗大小在很大程度上取決于早期發育中干細胞產生能夠結籽的小花。
2月23日，《自然—植物》在線發表了中外科學家合作的玉米籽粒研究的最新進展?？茖W家首次在玉米這一全球產量最高的主糧作物中實現了通過編輯啟動子而改變產量的策略。這為培育優良高產的玉米新品種，以及其他主糧作物的增產提供了一個有價值的途徑。
弱突變體恰到好處
現代玉米的馴化和改良起源于約10000年前，玉米野生種大芻草經過長期馴化選擇，演化為玉米地方品種，再經過約150年的遺傳改良發展出適應性好、籽粒產量高的優良玉米品系。
論文第一作者、美國冷泉港實驗室博士后劉磊告訴《中國科學報》，玉米的產量性狀受到強烈選擇，野生種大芻草果穗僅有數十粒籽粒，而現代玉米果穗則多達數百粒。“提升玉米單穗的籽粒數可顯著提升玉米的產量?！?/p>
玉米果穗籽粒數目，是在雌花序發育早期形成和決定的。發育過程中，雌花序分生組織持續分化小穗分生組織的能力決定了玉米果穗上最終的每穗行數、行粒數等產量性狀。因此，提升玉米花序分生組織活性，理論上可增加果穗籽粒數目，提升產量。
玉米果穗籽粒數目，是在果穗發育早期形成和決定的。劉磊供圖
論文通訊作者、冷泉港實驗室教授David Jackson想通過增加每個玉米穗的粒數來提高產量。他所帶領的團隊長期從事玉米干細胞活性和玉米籽粒數目的研究。
他們發現了一系列控制玉米干細胞的CLV基因，這是約束干細胞活性的關鍵基因。2013年，他們利用化學誘變技術，在CLV基因突變體中獲得了一些單堿基突變的弱突變體。
論文作者、中國農科院農業資源與區劃研究所研究員吳慶鈺告訴《中國科學報》，所謂弱突變體可以理解為基因活性適當降低。普通的CLV基因敲除突變體表現為干細胞活性極高，雖然玉米果穗增粗，但由于分生組織過度增殖，導致果穗發育異常，因而產量顯著降低；而弱突變體的基因活性剛剛好，表現為果穗形態正常，但籽粒數目顯著提升。
玉米和其他植物類似，維持花序分生組織（干細胞）生長和分化的經典途徑是CLV-WUS負反饋信號通路，敲除clavata基因會打破此信號通路平衡，表現為干細胞過度增殖。劉磊供圖
當時，基因編輯技術尚未出現，弱突變體的獲得是隨機的。他們希望通過更精確的技術人為“創制”出這種產量更高的弱突變體。
避開基因本身，給啟動子開刀
強大的基因編輯技術可以加快人為創制的過程。
“很多人以非常簡單的意義使用基因編輯技術——只是破壞基因或完全敲除基因。但是我們有了一個新的想法，對該基因的啟動子區域進行基因編輯修飾。這就是產生非常有趣的結果的原因，我們可以通過微調基因的表達而獲得農業生產所需的突變?！盝ackson帶領團隊使用了這種高度針對性的技術來增加玉米粒的數量。他們也是最早將CRISPR基因編輯技術用于玉米復雜基因組研究的實驗室之一。
華中農業大學教授張祖新向《中國科學報》解釋道，基因內部的編輯往往會導致基因本身的功能部分或完全喪失，而啟動子的編輯只是對基因的表達水平或表達模式進行微調。在這項最新成果中，對玉米CLV基因啟動子的編輯，能夠保留CLV基因及其編碼蛋白的功能，因而，玉米花序可以正常發育，不會導致穗型改變。
“不直接改變基因，而是通過改變基因的啟動子，從而精細的調控基因表達，這一思路非常巧妙?！睆堊嫘抡f。
劉磊介紹，在這項研究中，一些通過啟動子編輯獲得的弱突變體，可一定程度的提升花序分生組織的大小，進而顯著提升數個產量相關性狀及單穗的籽粒產量，例如果穗增粗、穗行數增加、單穗粒數增加，從而顯著提升產量。
可資借鑒的新策略
此外，他們還發現了第二種提高產量的策略。玉米CLV基因的同源基因共有50個，往往具有功能冗余的特性，即一個同源基因無效了，另一個互補的同源基因表達量上調，可以彌補前者的功能?！皩σ恍╆P鍵基因的互補基因同時進行敲除，也可以獲得提高產量的等位基因?！眳菓c鈺說。
劉磊打了一個比方，通俗的講，啟動子編輯策略，就像是干擾籃球比賽中對手的主力球員，例如讓其體能不足；而遺傳補償策略更像是干擾對手主力球員的替補，讓其不能上場替換主力球員。
由于玉米基因組很復雜。CLV家族的50個相關基因，啟動子區域因基因而異。啟動子的哪些部分對于基因表達最重要，尚不清楚。
劉磊說：“我們基本上隨機地靶向啟動子區域。我們不知道啟動子的哪一部分很重要。因此，下一步，我們可能將更多地集中于確定啟動子的哪一部分至關重要。這將會使啟動子編輯更高效，從而獲得更好的等位基因，產生更多的穗粒或更大的穗?！?/p>
張祖新說，這項工作的結論可以給包括主糧作物小麥和水稻在內的作物產量改良提供可資借鑒的思路。
Jackson認為，他們的策略可廣泛應用于其他作物?？刂谱魑锂a量、抗性等重要性狀的等位基因往往是在數量上改變基因的表達，因此編輯啟動子區域可以人為的優化目標基因的表達量，優化其對產量、抗性等的遺傳效應，達到提升產量、抗性等的目標。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00858-5
