尋找玉米（maize）根系發育基因

 

突變種（左）與野生種（右）的玉米根部。
圖片來源：Nature Genetics

玉米（Zea mays）是世界五大穀物之一。從現在的時間點回頭看，很難想像在十六世紀以前，全世界只有一小群人知道這種植物。但是現在玉米可說是無所不在，不只是早餐的穀片以及日常的食物會有它，它還以你看不到的型態出現在各種食物與飲料中。所以，玉米對人類非常重要。

隨著氣候變遷，連身為C4植物的玉米，都因為降雨減少而面臨抗旱的問題。最近一項歷時八年的研究，分析了9000個栽培種以及170個大芻草（teosinte）的根系，找到了玉米根部發育的秘密。

科學家們將玉米的種子包裹在特殊的紙裡面，然後將這些紙捲成雪茄狀、放在燒杯內，以 16 小時光照 26 °C、 8小時黑暗18 °C培養。10天後，他們把紙打開，就可以輕鬆地觀察完整的根部。栽培品系的玉米觀察10株，家傳品系玉米觀察20株，大芻草因為種子數量有限，僅觀察15株。

他們發現，玉米的根有所謂的「種生根」（seminal root）與側根（lateral root）的區別。種生根在玉米發芽後不久出現，其功能是幫助玉米幼苗吸收更多養分與水分。當環境適合玉米生長時，種生根對玉米的幫助很大。

但是研究團隊發現，種生根多的玉米，它的側根就會變少；而側根減少對玉米的耐旱性不利。他們注意到，側根多的玉米抗旱性比較好。有趣的是，在玉米馴化的過程中，種生根的數量有增加的趨勢，但是在適應有限水的本地品系中，種生根的數量顯著減少。

到底什麼基因與根系的發育有關呢？研究團隊分析基因體後，找到了超過160個相關基因。其中一個，稱為ZmHb77，對玉米的抗旱性有影響。在所謂的「北方燧石」（Northern Flint ）品系中，特定基因型的ZmHb77會讓玉米更不耐旱。深入研究後發現，ZmHb77在根的表現量也比較高。

到底ZmHb77對根部發育的影響是怎樣的呢？研究團隊以基因編輯將ZmHb77剔除後發現，沒有這個基因的突變株，其種生根數量顯著減少、側根密度增加。測試發現，這些突變株的生長與光合作用速率較高，抗旱性優於野生種。

所以，透過對根系發育的觀察與基因體的研究，科學家們發現了ZmHb77對玉米根系的發育有重要的影響，也影響到玉米抗旱的能力。期待更多的研究讓我們了解玉米根系發育的生物學！

參考文獻：

Yu, P., Li, C., Li, M. et al. Seedling root system adaptation to water availability during maize domestication and global expansion. Nat Genet (2024). https://doi.org/10.1038/s41588-024-01761-3