一個(gè)物種的種質(zhì)資源群體內(nèi)的遺傳變異缺乏、同質(zhì)化嚴(yán)重，是目前主要農(nóng)作物都面臨的遺傳基礎(chǔ)狹窄的問(wèn)題。遺傳基礎(chǔ)狹窄是農(nóng)作物改良難以取得突破性進(jìn)展的全球問(wèn)題。近期，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜功能基因組團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家合作單位，針對(duì)葫蘆科瓜類(lèi)作物遺傳基礎(chǔ)狹窄難以獲得緊湊株型的問(wèn)題，提出了一種定向的人工進(jìn)化策略來(lái)創(chuàng)造葫蘆科瓜類(lèi)作物的全新緊湊株型，大大提高了葫蘆科瓜類(lèi)作物的生產(chǎn)效率，顯著節(jié)省了勞動(dòng)力的投入。相關(guān)研究成果于2022年12月13日以Architecture design of cucurbit crops for enhanced productivity by a natural allele為題發(fā)表在Nature Plants上。
黃瓜、甜瓜和西瓜等葫蘆科瓜類(lèi)作物是世界上重要的經(jīng)濟(jì)蔬菜/水果作物，這些作物的主莖和節(jié)間均較長(zhǎng)，使得栽培群體的種植密度較低，管理上耗時(shí)費(fèi)工，生產(chǎn)效率低下。具有顯性遺傳的特征，并且不影響座果和產(chǎn)量的緊湊株型已成為葫蘆科作物急需改良的一個(gè)重要方向。
為了解決這一育種難題，研究團(tuán)隊(duì)在2000多份南瓜種質(zhì)中尋找到唯一一份由顯性單基因控制的中國(guó)南瓜矮化種質(zhì)。圖位克隆和遺傳驗(yàn)證揭示南瓜CmoYABBY1基因的5'UTR上一段76bp的缺失，通過(guò)增強(qiáng)CmoYABBY1的蛋白翻譯水平，使得南瓜主莖極度縮短。分析發(fā)現(xiàn)該76bp序列中存在一個(gè)在葫蘆科作物中保守的元件B-region，研究團(tuán)隊(duì)利用基因編輯工具對(duì)黃瓜和西瓜中的B-region進(jìn)行靶向刪除，創(chuàng)造出B-region各種不同的缺失形式，不同程度的增強(qiáng)了YABBY1的翻譯量，進(jìn)而不同程度的縮短了黃瓜和西瓜的主莖長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)了莖長(zhǎng)的精細(xì)調(diào)節(jié)。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同瓜類(lèi)作物的不同栽培模式，將基因編輯獲得的新等位基因植株進(jìn)行精確配置，發(fā)現(xiàn)基因編輯的矮化植株可以顯著的提高單位面積產(chǎn)量或顯著降低勞動(dòng)力成本。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為YABBY1基因上B-region的各種不同缺失是優(yōu)化葫蘆科瓜類(lèi)作物主莖長(zhǎng)度的有效策略，可以大幅度的提高葫蘆科作物的生產(chǎn)效率。Nature Plants同期還刊發(fā)了林鴻宣院士團(tuán)隊(duì)撰寫(xiě)的題為Compact plants enhance productivity的評(píng)論文章，對(duì)該項(xiàng)成果進(jìn)行了介紹并給予了高度評(píng)價(jià)。
該論文的第一完成單位和通訊單位為中國(guó)農(nóng)科院蔬菜花卉研究所。第一作者為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所與西北農(nóng)林科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后王深浩（現(xiàn)為副教授）、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所在讀博士生王昆和西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院李征教授。通訊作者為蔬菜花卉研究所楊學(xué)勇研究員。中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所的黃三文研究員對(duì)該研究進(jìn)行了指導(dǎo)，北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究所的李海真研究員為該成果提供了南瓜種質(zhì)資源和群體材料。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01297-6
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