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“如何提高产量是作物育种中最重要，最困难的问题，这是一个困难的'硬骨'。”美国俄克拉荷马州立大学小麦分子遗传学实验室教授Yan Liuling告诉《中国科学报》，面对气候变化，人口增长和可耕地的减少等问题，小麦产量的增加是与世界粮食安全直接相关的主要问题。

最近，《科学》在线发布了Yan Liuling和他的合作者发现的新的小麦增强基因塔科B5。该基因对每耳朵的晶粒数和耳朵数等性状具有显着的调节作用。现场实验表明，该基因平均可以将小麦产量提高约12。

《科学》同时，荷兰瓦格宁根大学分子生物学实验室G. Wilma Van Ess博士出版了。该论文指出：“塔科尔-B5的发现是提高谷物产量的一个里程碑，这加深了我们对与产量控制相关的植物型特征的分子机制的理解。”塔科尔-B5的识别提供了一种最大化小麦产量的新方法”。

确定小麦产量的Epile类型因素

作为世界上最重要的食品作物之一，小麦满足了20的人类卡路里和蛋白质需求，为世界人口的三分之一以上提供了能源。

该论文的对应作者Yan Liuling表示，由于气候，环境和培养方法的影响，传统杂种繁殖种植的一些高质量产品将在不同年份或地区显示出不稳定的产量。在大多数情况下，育种者无法准确预测它们是否会导致更高的产量。

近年来，基因测序等新技术的快速发展和应用为科学家带来了解决高生产率问题的机会。

Yan Liuling说，小麦产量主要受三个主要因素的影响，即耳朵数量，每耳朵的谷物数量和种子的重量。这些因素在一定范围的幅度范围内呈负相关。通过遗传因素改善耳朵类型和植物类型，从而提高农作物的产量是一种有效的方法，但是实现这一目标是极具挑战性的。

Van Ess指出，单个影响因素（例如种子重量和数量）之间的权衡是瓶颈，以进一步提高产量。 “鉴定控制与小麦产量相关的植物类型性状的基因并不容易，因为普通小麦具有较大且复杂的六倍体基因组，并且包含具有许多相似基因组片段的重复序列——的80，很难组装序列拼图。”

Yan Liuling和他的合作者使用完整的小麦参考基因组和快速测序技术来加速小麦高产基因的研究。 “我们以前的目标是找到确定尖峰数量的关键基因。”

潜在的产量增长约为12

从俄克拉荷马州立大学毕业后，联合第一作者张肖尤目前在中国农业科学院大麻研究所工作。据他说，他们选择了两种在小麦耳朵的形状（CITR 17600和Yangmai18）上有很大差异的小麦材料作为父母，以便使用Mendel的遗传规则找到与后代不同产量不同的孤立人群，从而发现了增加产量的基因。

“这两个父母被选为找到高产物基因，但我不知道最终会发现哪种基因。” Yan Liuling说，找到该基因的产量极高，这是一种“偶然”和“幸运”。

张小号告诉《中国科学报》，在先前的研究中，他们通过杂交的两种CITR 17600和Yangmai 18的杂交建造了后代种群，该组中的Spikelet计数显示出遗传分离。然后，他们确定了一个定量性状的主要位点，该特征可以解释43的后代人群中尖峰计数的遗传分离差异。

“目前，我们实际上发现了该基因的大约位置。” Yan Liuling说，进一步的研究锁定了该基因。由于该基因是与开花时间基因constans密切相关的转录调节剂，并且与植物中的Col5基因同源，因此称为Tacol-B5。

为了验证其功能，该团队在过表达扬玛18上的主要等位基因塔可尔-B5后获得了4个独立的转换植物，并在温室和田间条件下种植。结果表明，该基因的过表达可以增加耳朵的数量（即，每耳朵的数量），每耳朵的谷物数量和耳朵长度，从而显着促进了小麦植物的生产力。

范·埃斯（Van Ess）指出：“值得注意的是，晶粒数量的增加对种子大小没有负面影响，这表明破坏影响生产的因素之间的负相关性是可能的。” Yan Liuling认为，这既是研究的原始意图”，也是“实现目标”。

本文农业大学论文的联合第一作者贾·海扬（Jia Haiyan）参加了基因克隆和基因功能验证。结果表明，与对照组相比，四个Tacol-B5过表达的扬玛18过表达菌株的产率增加了11.9，而菌株的产率最大，产量最大的增加增加了19.8。

范·埃斯（Van Ess）说：“潜在的产量增长约为12是一个飞跃。”

不仅如此，该团队还通过基因编辑技术淘汰了Tacol-B5功能领域。结果表明，与对照组相比，基因编辑的菌株显示出开花期的延迟和植物高度降低，并且该表型进一步验证了塔可洛-B5的功能。

该论文的联合第一作者兼中国农业科学院作物科学研究所的副研究员李·蒂安（Li Tian）参与了塔科尔-B5蛋白的功能机制的详细分析。他们发现塔可洛-B5通过丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶tak4的磷酸化激活。这是第一次发现TAK4磷酸激酶来调节峰值发育和产量特征。

Li Tian说：“基于对蛋白质保守结构域的功能分析，我们推测塔可尔-B5通过不同的保守域调节开花时间和植物高度。”

更高产量的理想

由于Tacol-B5是由自然突变产生的主要等位基因，因此耕种小麦中的现代小麦品种具有该基因？

Li Tian告诉《中国科学报》，他们测试了保存在中国国家农作物种质库中的1,551种小麦材料，该材料来自中国农业物种，现代中国繁殖品种，北美和加拿大（美国和加拿大）品种，欧洲（16个国家/地区），（16个国家/地区）品种，苏联品种，苏联品种，澳大利亚品种以及澳大利亚玉米玉米玉米和国际小麦的改善中心品种

结果表明，只有29个材料中包含塔可醇-B5基因，不到总数的2。其中，所有测试的157种中国农民物种都不包含该基因，而346种现代中国繁殖品种中有4种包含该基因。

“尽管目前在全球种植的常见小麦品种中，该等位基因似乎很低，但这仍然可以为育种者提供良好的天然和高收益繁殖材料。” Yan Liuling说，该基因非常古老，存在于四倍体小麦中，与植物高度升高有关。在1950年代和1960年代的绿色革命期间，人们追求降低农作物的植物高度。因此，在筛查追求矮人型预防时可能会丢失该基因。

在实验中，贾海安（Jia Haiyan）观察到携带塔可尔-B5基因的植物明显高。 “这使我们重新考虑了理想的植物类型的小麦。”

Yan Liuling还说，该植物太短可能会限制产量的突破。这与中国工程学院的院士Yuan Longping是“谷物下的满足之梦”。此外，大米和小麦都是草的家族作物，该新基因可能为研究其他农作物产量的增加提供有用的参考。

范·埃斯（Van Ess）强调，在多种环境中生长的小麦以及其他遗传环境中测试塔可果-b5基因的影响很重要，以更准确地评估潜在的产量增加。此外，这些结果可能适用于其他主要谷物作物，例如大米，大麦和黑麦。 （李陈）

资料来源：中国科学日报