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小麥?zhǔn)侨蛉笾骷Z作物之一，養(yǎng)育著世界近半數(shù)人口，也是我國(guó)北方餐桌上的“頂流主食”，其產(chǎn)量與品質(zhì)直接關(guān)系到糧食安全和民生穩(wěn)定。近年來(lái)，全球氣候變暖、極端天氣頻發(fā)（圖1），全球氣溫每升高1℃，小麥減產(chǎn)幅度就可能高達(dá)6%。另外，我國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)還經(jīng)常遭遇春寒、熱浪、秋汛等災(zāi)害，使得小麥產(chǎn)量不確定性顯著增加。 小麥一生中關(guān)鍵的生長(zhǎng)階段是抽穗期和開(kāi)花期。此時(shí)，小麥對(duì)養(yǎng)分、水分和光照等環(huán)境條件極為敏感，抽穗過(guò)早，易遭遇晚霜凍害；抽穗過(guò)晚則灌漿關(guān)鍵期縮短，而且容易遭遇高溫脅迫，二者都會(huì)嚴(yán)重影響穗粒數(shù)和千粒重。如果能夠給抽穗期調(diào)上精準(zhǔn)“鬧鈴”，讓小麥盡可能避開(kāi)晚霜凍害和高溫脅迫等“坑”，使其在適宜條件下充分生長(zhǎng)，便能最大程度發(fā)揮增產(chǎn)潛力。  圖1 歷年主糧生長(zhǎng)季遭遇極端天氣的天數(shù)百分比 一、小麥抽穗“鬧鈴”基因TaEMF2的發(fā)現(xiàn) 同源基因克隆是研究基因功能常用的“小妙招”，不同植物同一功能的基因通常具有很高的相似性，這些相似度高且保守的序列被稱(chēng)為同源基因。科學(xué)家從模式植物（已經(jīng)被詳細(xì)研究的簡(jiǎn)單物種，如擬南芥）中獲取到一個(gè)叫EMF2的目標(biāo)基因，它在擬南芥、水稻、棉花及西蘭花中均能影響開(kāi)花時(shí)間。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究人員拿著水稻OsEMF2基因的序列當(dāng)“尋人啟事”，很快在小麥基因組序列中比對(duì)出它的小麥“親戚”——TaEMF2，它與水稻親戚大約73%長(zhǎng)得一樣，但它是否和水稻基因擁有相同的開(kāi)花調(diào)控功能呢？ 二、TaEMF2基因抽穗“鬧鈴”功能的驗(yàn)證 想要確定基因的功能，可以用一增一減來(lái)驗(yàn)證，一方面可以讓基因“多干活”——通過(guò)超表達(dá)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，在小麥中增加額外的基因表達(dá)，觀察其大量超額發(fā)揮作用時(shí)的植株表型。另一方面可以讓基因“不干活”——用基因編輯技術(shù)（如CRISPR等）像“剪刀”一樣，精準(zhǔn)剪掉小麥里的目標(biāo)基因，使其完全喪失功能，觀察其缺失時(shí)出現(xiàn)的表型?！安桓苫睢钡幕蚓庉媽?shí)驗(yàn)顯示，敲除TaEMF2基因的植株的抽穗期比對(duì)照植株推遲了3~4天。說(shuō)明該基因能促進(jìn)開(kāi)花，缺失導(dǎo)致開(kāi)花延遲（圖2）。  “多干活”實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步印證，TaEMF2超表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株的抽穗期比對(duì)照植株提前了2~3天。兩組實(shí)驗(yàn)共同證實(shí)，TaEMF2是可以調(diào)控小麥抽穗的“鬧鈴”基因（圖3）。  圖3 TaEMF2基因超表達(dá)植株的表型（紅色箭頭指向已抽穗的麥穗） 三、TaEMF2基因的研究意義 實(shí)驗(yàn)證據(jù)明確了TaEMF2基因能夠調(diào)控小麥抽穗期的功能，這使人為精細(xì)調(diào)控小麥抽穗期成為可能。在寒冷地區(qū)，可以延遲抽穗以免小麥遭受晚霜凍害。在熱浪頻發(fā)地區(qū)，可以提早抽穗減少花后高溫脅迫、穩(wěn)定產(chǎn)量，還可以縮短小麥生長(zhǎng)周期以騰出時(shí)間種植下一季作物。TaEMF2基因?yàn)樾←湻肿佑N提供了關(guān)鍵靶點(diǎn)，為快速培育抗逆性強(qiáng)、產(chǎn)量高的小麥新品種，為筑牢糧食安全屏障提供有力支撐。 參考文獻(xiàn)： 武麗芬, 夏川, 張立超, 孔秀英, 陳景堂, 劉旭. TaEMF2調(diào)控小麥抽穗期的功能分析. 作物學(xué)報(bào), 2024, 50 (12): 2940-2949. 科學(xué)審核：徐兆師（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 研究員） 作者簡(jiǎn)介  夏川，博士，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員，在小麥基因資源發(fā)掘與利用團(tuán)隊(duì)從事科研工作。參與多個(gè)與小麥育性、抽穗期、株高和分蘗等產(chǎn)量相關(guān)的小麥重要農(nóng)藝性狀基因的克隆，基因功能與作用機(jī)制解析工作。近年來(lái)主持和參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等項(xiàng)目。 學(xué)會(huì)簡(jiǎn)介 |
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