一個物種的種質(zhì)資源群體內(nèi)的遺傳變異缺乏、同質(zhì)化嚴(yán)重，是目前主要農(nóng)作物都面臨的遺傳基礎(chǔ)狹窄的問題。遺傳基礎(chǔ)狹窄是農(nóng)作物改良難以取得突破性進展的全球問題。近期，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所蔬菜功能基因組團隊聯(lián)合國內(nèi)多家合作單位，針對葫蘆科瓜類作物遺傳基礎(chǔ)狹窄難以獲得緊湊株型的問題，提出了一種定向的人工進化策略來創(chuàng)造葫蘆科瓜類作物的全新緊湊株型，大大提高了葫蘆科瓜類作物的生產(chǎn)效率，顯著節(jié)省了勞動力的投入。相關(guān)研究成果于2022年12月13日以Architecture design of cucurbit crops for enhanced productivity by a natural allele為題發(fā)表在Nature Plants上。
黃瓜、甜瓜和西瓜等葫蘆科瓜類作物是世界上重要的經(jīng)濟蔬菜/水果作物，這些作物的主莖和節(jié)間均較長，使得栽培群體的種植密度較低，管理上耗時費工，生產(chǎn)效率低下。具有顯性遺傳的特征，并且不影響座果和產(chǎn)量的緊湊株型已成為葫蘆科作物急需改良的一個重要方向。
為了解決這一育種難題，研究團隊在2000多份南瓜種質(zhì)中尋找到唯一一份由顯性單基因控制的中國南瓜矮化種質(zhì)。圖位克隆和遺傳驗證揭示南瓜CmoYABBY1基因的5'UTR上一段76bp的缺失，通過增強CmoYABBY1的蛋白翻譯水平，使得南瓜主莖極度縮短。分析發(fā)現(xiàn)該76bp序列中存在一個在葫蘆科作物中保守的元件B-region，研究團隊利用基因編輯工具對黃瓜和西瓜中的B-region進行靶向刪除，創(chuàng)造出B-region各種不同的缺失形式，不同程度的增強了YABBY1的翻譯量，進而不同程度的縮短了黃瓜和西瓜的主莖長度，從而實現(xiàn)了莖長的精細(xì)調(diào)節(jié)。研究團隊根據(jù)不同瓜類作物的不同栽培模式，將基因編輯獲得的新等位基因植株進行精確配置，發(fā)現(xiàn)基因編輯的矮化植株可以顯著的提高單位面積產(chǎn)量或顯著降低勞動力成本。
研究團隊認(rèn)為YABBY1基因上B-region的各種不同缺失是優(yōu)化葫蘆科瓜類作物主莖長度的有效策略，可以大幅度的提高葫蘆科作物的生產(chǎn)效率。Nature Plants同期還刊發(fā)了林鴻宣院士團隊撰寫的題為Compact plants enhance productivity的評論文章，對該項成果進行了介紹并給予了高度評價。
該論文的第一完成單位和通訊單位為中國農(nóng)科院蔬菜花卉研究所。第一作者為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所與西北農(nóng)林科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后王深浩（現(xiàn)為副教授）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所在讀博士生王昆和西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院李征教授。通訊作者為蔬菜花卉研究所楊學(xué)勇研究員。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所的黃三文研究員對該研究進行了指導(dǎo)，北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究所的李海真研究員為該成果提供了南瓜種質(zhì)資源和群體材料。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項目的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41477-022-01297-6
來源：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所
2022年12月19日
