科學家建立碳四禾穀類研究的模式植物體系

2021-01-09 中國生物技術網

近日，中國農業科學院作物科學研究所與山西農業大學等單位合作利用迷你穀子構建碳四（C4）禾穀類作物研究的模式植物體系。相關研究成果在線發表在《自然-植物（Nature Plants）》上。

據隋毅博士介紹，模式植物擬南芥和水稻在作物科學基礎研究領域發揮著不可替代的作用，然而它們都是碳三（C3）植物，C4作物中還沒有理想的模式植物，一定程度上制約了C4植物基礎研究的發展。穀子為二倍體，其基因組小，且自花授粉，又有高質量的參考基因組，是極具發展潛力的禾穀類模式植物。但是，穀子生育期較長、株高較高、遺傳轉化困難等特點極大地限制了其作為模式植物在功能基因組學研究中的應用。

研究人員通過誘變篩選到一個超早熟突變體 xiaomi 。該突變體生育期僅2個月左右，株高僅30釐米左右，與模式植物擬南芥相當。在此基礎上，組裝了高質量參考基因組，構建了全生育期基因表達圖譜和穀子多組學資料庫（http://sky.sxau.edu.cn/MDSi.htm）。該研究還建立了一套方便快捷、高效穩定的農桿菌介導的 xiaomi 遺傳轉化體系，該體系遺傳轉化效率高達23.28%，已經接近模式植物擬南芥和水稻遺傳轉化水平，從而解決了 xiaomi 作為模式植物進行功能基因組學研究的最大障礙。類似擬南芥類的超短生育期和株高以及上述資源和遺傳轉化體系，使得 xiaomi 成為C4禾穀類研究的理想模式植物體系。該體系的建立必將極大促進C4高光效、氮素高效吸收利用機制、抗旱機制、遺傳馴化和優異品質形成的分子基礎等研究。

中國科學院院士、作科所所長錢前說：「C3的模式作物有『小薇』，C4又有了『小米（ xiaomi ）』，希望『小薇』和『小米』共同築起基礎研究領域的新平臺，為保障國家糧食安全做出應有的貢獻。」同期，該期刊發表的評論文章對該研究給予了高度評價。

模式植物擬南芥、 xiaomi 和穀子遺傳轉化流程圖

該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和山西省重點研發計劃資助。（通訊員 衛斐）

論文連結：https://doi.org/10.1038/s41477-020-0747-7

相關焦點

  • 科學家建立碳四禾穀類研究的模式植物體系—新聞—科學網
    模式植物擬南芥、xiaomi和穀子遺傳轉化流程圖         中國農科院供圖 近日，中國農業科學院作物科學研究所與山西農業大學等單位合作，利用迷你穀子構建碳四（C4）禾穀類作物研究的模式植物體系
  • 我國科研團隊建立C4禾穀類研究的模式植物體系
    植物》雜誌發表了題為「穀子中的」擬南芥「：C4禾穀類研究的理想模式體系」的研究論文。山西農業大學雜糧分子育種團隊部分成員在穀子試驗基地。山西農大提供。水稻模式植物體系「小薇」研發團隊的錢前院士說：「C3模式作物有『小薇』，C4又有了『小米』，希望『小薇』和『小米』共同築起基礎研究領域的新平臺，為保障國家糧食安全做出應有的貢獻。」據介紹，長期以來，模式植物擬南芥在引領重要科學發現和先進研究技術方面扮演著十分重要的角色。
  • 科學網—科學家找到C4禾穀類理想模式植物——「小米」
    本報訊（記者程春生）近日，《自然—植物》在線發表了山西農業大學雜糧分子育種團隊與中國農科院作物科學研究所等單位合作的研究成果
  • 山西農業大學 創製出C4禾穀類模式植物
    跟醫學領域的「小白鼠」類似，長期以來植物領域一直採用雙子葉植物擬南芥作為模式植物。2018年，中國科學院院士錢前團隊建立了單子葉植物水稻的模式植物體系「小薇」，可以像擬南芥一樣，在實驗室內大規模種植和篩選。
  • 山西農大創製「小米」作為C4禾穀類模式植物,可縮短育種年限
    在此基礎上，經過大量探索和嘗試，建立了一套方便快捷、高效穩定遺傳轉化體系。從而，將「小米」發展成C4禾穀類研究的理想模式植物。8月31日，國際植物領域頂尖期刊《自然—植物》在線發表了這一研究成果。據悉，這是近年來國際穀子研究領域發表的影響因子最高的論文。
  • 「剎車基因」亮相:穀子成為C4模式植物
    作科所供圖「這項研究揭示了禾穀類作物葉片堅實度的遺傳學基礎及其調控機制，為作物株型改良提供了新的基因資源及研究思路。」刁現民說。建立穀子高效遺傳轉化體系從2012年篩選到葉片嚴重披垂的突變體dpy1開始，「長達8年的研究過程中，關鍵實驗體系的建立和完善曾經給我們帶來很大挑戰」。從作科所畢業後進入中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員劉西崗課題組的趙美丞告訴《中國科學報》。
  • 「剎車基因」亮相:穀子成為C4模式植物—新聞—科學網
    建立穀子高效遺傳轉化體系 從2012年篩選到葉片嚴重披垂的突變體dpy1開始，「長達8年的研究過程中，關鍵實驗體系的建立和完善曾經給我們帶來很大挑戰」。從作科所畢業後進入中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員劉西崗課題組的趙美丞告訴《中國科學報》。
  • 大自然的傑作碳四植物,相比碳三植物光合作用率高,水分需求少
    在2014年的時候，我國著名雜交水稻學家袁隆平在接受媒體採訪時談到，他正在研究把玉米的碳四基因轉到水稻當中，如果能成功，光合效率可以提高30%到50%，從而大大提高產量。其中袁老談到的「碳四「指的就是碳四植物，相比碳三植物，碳四植物具有更高的光合作用效率，更強的抗旱能力和生存能力，其農作物也具有更高的產量。
  • 短柄草-單子葉模式植物屬種
    短柄草屬作為科學研究的一個模式體系，大大提升了我們植物生物學的認知。其中二穗短柄草（Brachypodium distachyum）的研究最廣泛。二穗短柄草是一種廣泛生長於溫帶地區的一年生草本植物， 種質資源豐富，原產地分布於北非、南歐和中亞一帶，屬於禾本科 （Poaceae） 早熟禾亞科 （Pooideae） 短柄草屬（Brachypodium P. Beauv. 2n=2x=10, x=5）。 二穗短柄草有多個亞種，分別為二倍體、四倍體和六倍體。
  • 我省在穀子功能基因組學研究領域取得重大突破
    據悉，這是我省在Nature Plants以第一單位發表的首篇論文，也是近年來國際穀子研究領域發表的影響因子最高的論文。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和山西省重點研發計劃的資助。據了解，穀子通常是5月播種，10月收穫，一年一季，生長周期要5個月左右。對於科研人員而言，5個月的等待是一個漫長的過程。因此，模式植物體系的建立對於科研來說意義重大。
  • 山西在穀子功能基因組學研究領域取得重大突破
    因此，模式植物體系的建立對於科研來說意義重大。「和農民一樣，科研工作者也希望研究對象能夠長得快一點。」該課題科研人員、山西農業大學王興春教授介紹道，此次，團隊成功培育出新的模式植物「xiaomi」，它的生育期只有2個月左右，株高僅30釐米左右，適合室內大規模種植研究，大大縮短了高產禾穀類作物科學研究的周期，並能提供大量的研究材料。
  • 山西在穀子功能基因組學研究領域取得重大突破
    因此，模式植物體系的建立對於科研來說意義重大。「和農民一樣，科研工作者也希望研究對象能夠長得快一點。」該課題科研人員、山西農業大學王興春教授介紹道，此次，團隊成功培育出新的模式植物「xiaomi」，它的生育期只有2個月左右，株高僅30釐米左右，適合室內大規模種植研究，大大縮短了高產禾穀類作物科學研究的周期，並能提供大量的研究材料。
  • 山西省在穀子功能基因組學研究領域取得重大突破
    據悉，這是我省在Nature Plants以第一單位發表的首篇論文，也是近年來國際穀子研究領域發表的影響因子最高的論文。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和山西省重點研發計劃的資助。據了解，穀子通常是5月播種，10月收穫，一年一季，生長周期要5個月左右。對於科研人員而言，5個月的等待是一個漫長的過程。因此，模式植物體系的建立對於科研來說意義重大。
  • 碳4光合作用可促進植物生長
    一項新的研究結果顯示，相比更常見碳3(C3)植物，高效的碳4植物可以通過改變植物葉片及根系的形狀、大小和結構來加快植物20——100%的生長速度。      由謝菲爾德大學（ University of Sheffield）的科學家們主持的這一開創性試驗揭示了為何碳4植物會比具有更長進化史的碳3植物長得更快。碳4植物擁有一套複雜的結構及化學裝備，它的二氧化碳吸收速度至少比碳3植物快上60倍。
  • 土壤微生物碳泵開啟陸地固碳新篇章
    一直以來，關於微生物分解代謝的研究很多，但對微生物通過合成代謝實現固碳作用的關注卻較少。現有研究證據表明，來源於微生物同化合成的產物——微生物細胞殘體是土壤穩定有機碳庫的重要組分。因此，了解並掌握如何調控微生物來源碳對於更好發揮土壤長期固碳作用並據此建立可持續管理措施具有重要意義。
  • 深潛機器人幫科學家研究死亡藻類碳吸收課題
    作為微小的碳飢餓生物，藻類在清除大氣層二氧化碳方面發揮著重要作用。為了進一步突顯這種作用的重要性，科學團隊首次開展了這方面的研究調查。科學家使用先進的深潛機器人對海底進行了探查，從而研究已經死亡的海藻作為「海洋積雪」落入海洋深處後，海底所能承受的負載能力等等。
  • 高等植物多基因敲除體系研究取得進展
    科技日報訊 （記者趙漢斌）著名國際期刊《植物雜誌》近日發布的一項成果表明，中科院昆明植物研究所在小立碗蘚多基因敲除體系研究中取得了重要進展。苔蘚植物是植物分子生物學研究中的一種重要模式植物。其中，小立碗蘚生長所需營養簡單，容易培養，為基因功能研究提供了良好的材料。目前，小立碗蘚的基因敲除主要用同源重組的方法，但所獲得突變體的效率相對較低，且小立碗蘚的雜交極其困難，不利於獲得多突變體並對多基因家族基因功能進行研究。儘管小立碗蘚中也建立了CRISPR/Cas9的基因編輯技術，但這種方法在敲除多個基因時，敲除效率低下、載體構建費時費力。
  • 科學時報:生態學家呼籲推廣碳四植物改善西北荒漠化環境
    日前，中國科學院廣州分院原黨組書記、原常務副院長、生態學家張經煒研究員針對我國部分地區沙漠化嚴重的問題向有關方面呼籲：推廣種植碳四植物，改善西北荒漠化環境。    張經煒長期從事生態學和資源開發研究工作，曾多次參加新疆沙漠防治和植被資源考察、青藏高原生態和植被資源考察，並獲中科院科學技術進步特等獎、國家自然科學一等獎。
  • 2020年中國碳金融市場調查分析與發展前景研究報告
    碳金融市場發展前景廣闊。我國正在實施轉變經濟發展方式，建立「兩型社會」的發展戰略，過去「三高」（高投入、高能耗、高增長）的粗放型發展模式不具有可持續性，必須轉化為「兩低一高」（低投入、低能耗、高增長）的集約型發展模式。