具有正常CLV基因活性的玉米穗（左1），CLV基因活性為(wei) 零的玉米穗（左2）。通過啟動子編輯降低該基因活性可讓籽粒和產(chan) 量增加（左3），而增加基因活性則減少籽粒和產(chan) 量（左4）。劉磊供圖

■本報記者 李晨

玉米的穗大小對產(chan) 量至關(guan) 重要，而穗大小在很大程度上取決(jue) 於(yu) 早期發育中幹細胞產(chan) 生能夠結籽的小花。

《自然—植物》近日在線發表了中外科學家合作的玉米籽粒研究最新進展。科學家首次在玉米這一全球產(chan) 量最高的主糧作物中實現了通過編輯啟動子改變產(chan) 量的策略。這為(wei) 培育優(you) 良高產(chan) 的玉米新品種，以及其他主糧作物的增產(chan) 提供了一個(ge) 有價(jia) 值的途徑。

弱突變體(ti) 恰到好處

現代玉米的馴化和改良起源於(yu) 約1萬(wan) 年前。玉米野生種大芻草經過長期馴化選擇，演化為(wei) 玉米地方品種，再經過約150年的遺傳(chuan) 改良，發展出適應性好、籽粒產(chan) 量高的優(you) 良玉米品係。

論文第一作者、美國冷泉港實驗室博士後劉磊告訴《中國科學報》，玉米產(chan) 量性狀受到強烈選擇，野生種大芻草果穗僅(jin) 有數十粒籽粒，現代玉米果穗則多達數百粒。“提升玉米單穗籽粒數可顯著提升玉米產(chan) 量。”

玉米果穗籽粒數目是在雌花序發育早期形成和決(jue) 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(jue) 定了玉米果穗上最終的每穗行數、行粒數等產(chan) 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(chan) 量。

論文通訊作者、冷泉港實驗室教授David Jackson想通過增加每個(ge) 玉米穗的粒數來提高產(chan) 量。他所帶領的團隊長期從(cong) 事玉米幹細胞活性和玉米籽粒數目研究。他們(men) 發現了一係列控製玉米幹細胞的CLV基因，這是約束幹細胞活性的關(guan) 鍵基因。2013年，他們(men) 利用化學誘變技術，在CLV基因突變體(ti) 中獲得了一些單堿基突變的弱突變體(ti) 。

論文作者、中國農(nong) 科院農(nong) 業(ye) 資源與(yu) 區劃研究所研究員吳慶鈺告訴《中國科學報》，所謂弱突變體(ti) 可以理解為(wei) 基因活性適當降低。普通的CLV基因敲除突變體(ti) 表現為(wei) 幹細胞活性極高，雖然玉米果穗增粗，但由於(yu) 分生組織過度增殖，導致果穗發育異常，因而產(chan) 量顯著降低；而弱突變體(ti) 的基因活性剛剛好，表現為(wei) 果穗形態正常，但籽粒數目顯著提升。

當時，基因編輯技術尚未出現，弱突變體(ti) 的獲得是隨機的。他們(men) 希望通過更精確的技術人為(wei) “創製”出這種產(chan) 量更高的弱突變體(ti) 。

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(wei) 創製過程。

“很多人非常簡單地使用基因編輯技術——隻是破壞基因或完全敲除基因。但是我們(men) 有了一個(ge) 新想法，對該基因的啟動子區域進行基因編輯修飾。這就是產(chan) 生非常有趣的結果的原因，我們(men) 可以通過微調基因的表達而獲得農(nong) 業(ye) 生產(chan) 所需的突變。”Jackson帶領團隊使用這種具有高度針對性的技術來增加玉米粒數量。他們(men) 也是最早將CRISPR基因編輯技術用於(yu) 玉米複雜基因組研究的團隊之一。

華中農(nong) 業(ye) 大學教授張祖新向《中國科學報》解釋道，基因內(nei) 部編輯往往會(hui) 導致其本身的功能部分或完全喪(sang) 失，而啟動子編輯隻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(hui) 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(cong) 而精細調控基因表達，這一思路非常巧妙。”張祖新說。

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(ti) ，可在一定程度上讓花序分生組織變大，進而顯著提升數個(ge) 產(chan) 量相關(guan) 性狀及單穗的籽粒產(chan) 量，例如果穗增粗、穗行數增加、單穗粒數增加，從(cong) 而顯著提升產(chan) 量。

可借鑒的新策略

此外，他們(men) 還發現了第二種提高產(chan) 量的策略。玉米CLV基因的同源基因有50個(ge) ，往往具有功能冗餘(yu) 的特性，即一個(ge) 同源基因無效了，另一個(ge) 互補的同源基因表達量上調，可以彌補前者的功能。“對一些關(guan) 鍵基因的互補基因進行同時敲除，也可以獲得提高產(chan) 量的等位基因。”吳慶鈺說。

劉磊打了一個(ge) 比方，通俗地講，啟動子編輯策略就像是籃球比賽中幹擾對手的主力球員，例如讓其體(ti) 能不足；而遺傳(chuan) 補償(chang) 策略更像是幹擾對手主力球員的替補，讓其不能上場替換主力球員。

由於(yu) 玉米基因組很複雜，CLV家族有50個(ge) 相關(guan) 基因，啟動子區域因基因而異，哪些部分對於(yu) 基因表達最重要尚不清楚。

劉磊說：“我們(men) 基本上隨機地靶向啟動子區域。我們(men) 不知道啟動子的哪一部分很重要。因此，下一步，可能將更多集中於(yu) 確定啟動子的哪部分至關(guan) 重要。這將使啟動子編輯更高效，從(cong) 而獲得更好的等位基因，產(chan) 生更多的穗粒或更大的穗。”

張祖新說，這項工作的結論可以給包括小麥和水稻在內(nei) 的作物產(chan) 量改良提供可借鑒的思路。

Jackson認為(wei) ，他們(men) 的策略可廣泛應用於(yu) 其他作物。控製作物產(chan) 量、抗性等重要性狀的等位基因往往是在數量上改變基因表達，因此編輯啟動子區域可以人為(wei) 優(you) 化目標基因的表達量，優(you) 化其對產(chan) 量、抗性等的遺傳(chuan) 效應，達到提升產(chan) 量、抗性等目標。

相關(guan) 論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-021-00858-5