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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

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