科學家揭示玉米簇生花序如何影響產量

　　花序的分枝數目在一定程度上決定了籽粒數目，進而影響籽粒產量。近日，美國《國家科學院院刊》在線發表了華中農業大學玉米團隊教授張祖新和美國加州大學伯克利分校教授Sarah Hake的合作成果。該成果揭示了Fascicled ear1位點兩個基因的拷貝數變異可調控玉米花序分生組織細胞命運，并闡述了花序分生組織中心—外緣軸極性分化的生物學功能。

Fas1突變體的花序結構 華中農大供圖

　　植物分生組織是一團具有自我更新能力的干細胞群，其通過固有模式持續分化產生側生器官。花序原基早期呈輻射對稱狀，具有中心—外緣軸。隨著側生原基的啟始，這種輻射對稱狀花序原基開始不對稱發育。

　　論文通訊作者張祖新介紹，栽培玉米的雌、雄花序屬于輻射對稱性花序，具有典型的中心—外緣軸結構。分枝是禾本科作物花序發育的一個基本特征，分枝數目與籽粒產量有關。玉米雄花序有一個主軸、多分枝，雌花序只有一個穗軸、無分枝。

　　1997年，美國科學家首次報道了一個玉米雌雄花序無主軸、多分枝的突變體，并將其命名為Fascicled ear（Fas1-R）。隨后，Sarah Hake課題組開展了早期的遺傳分析。但由于定位區段基因組的復雜性，研究工作一度停滯。

　　2015年，張祖新課題組在育種材料中也獲得了一個類似表型突變體，命名為Fas1-2，并開始了遺傳學和發育生物學的相關研究，精細定位了Fas1-2所在的染色體區段，發現定位區段內候選基因拷貝數變異是導致突變表型的遺傳基礎。

　　由于雙方具有良好的合作基礎和相同的研究興趣，兩個課題組開始了Fas1-2和Fas1-R的合作攻堅。

　　論文第一作者、華中農業大學博士后杜艷芳介紹，經過反復實驗驗證，團隊成員發現，Fas1區段基因組結構變異導致候選基因拷貝數增加和新啟動子的產生。新啟動子驅動基因異位表達，并進一步地抑制花序分生組織中心軸相關基因的表達，同時異常啟動分生組織外緣軸基因的表達。

　　這一研究成果首次揭示了玉米花序分生組織中心—外緣軸極性分化的控制機理，證實了中心—外緣軸相關基因嚴格時空表達的重要性，也為通過啟動子定向編輯改變基因表達模式進而改變花序發育和玉米籽粒產量提供了新思路。