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版纳植物园在蒺藜苜蓿株型调控研究中取得进展

2020.10.21

　　调整农作物株型可提高作物的产量，用以缓解由于人口增多产生的粮食危机。在育种上，株高和分枝是决定植物株型和产量的两个重要因素，植株过高则易倒伏，进而使作物产量下降；过多或过少的分枝也会影响作物的产量，株高和分枝这两个农艺性状主要受植物激素调控。农业“绿色革命”具有重要意义，寻找作物的半矮秆株型一直是植物学家的目标。引发“绿色革命”的赤霉素（GA）在株高和分枝发育的调控中发挥作用，豆科植物在农业和生态系统中均发挥重要作用，但是目前，关于其株高和分枝发育的研究及GA在其中的作用鲜有报道，这制约豆科作物的育种改良。

　　豆科植物蒺藜苜蓿具有二倍体、基因组较小、闭花自花授粉、遗传转化体系较为成熟等优点，因而是豆科的模式植物。中国科学院西双版纳热带植物园热带植物资源可持续利用重点实验室研究员陈江华团队从蒺藜苜蓿突变体库的资源中分离到矮化且分枝数量增多的突变株系dwarf and increased branching 1（dib1）。细胞学分析显示，茎节间细胞长度和细胞数目减少共同导致突变体矮化；统计学分析表明，dib1突变体的二级分枝数量显著多于野生型。研究人员通过基因组重测序与遗传连锁分析，克隆dib1基因。进化分析说明，该基因编码的蛋白dib1是豌豆中LE/PsGA3ox1的直系同源蛋白，暗示该基因可能参与GA的生物合成；进一步通过测定激素含量，证实dib1突变体中的活性GA显著下降。此外，在突变体中多个GA合成基因的表达量上调，并且通过对突变体施加GA，可同时恢复株高和叶腋发育上的缺陷。该研究揭示dib1通过影响蒺藜苜蓿体内活性GA的含量，从而调控其株高和分枝数量。相关研究成果以Dwarf and Increased Branching 1 controls plant height and axillary bud outgrowth in Medicago truncatula为题，发表在Journal of Experimental Botany上。版纳植物园博士研究生张晓嘉为论文第一作者，研究团队成员刘宇和陈江华为论文的通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金-云南省联合基金、中科院战略性先导科技专项和中科院核心植物园等的资助。

　　研究团队在蒺藜苜蓿突变体中筛选到另一个极度矮化的突变体mini plant 1（mnp1）。通过统计分析野生型和突变体节间长度及细胞长度，发现茎节间细胞长度和细胞数目减少共同导致突变体矮化。利用基因组重测序，研究人员克隆该基因mnp1。进化分析表明，mnp1与豌豆、拟南芥、番茄和水稻等物种中报道的CPS蛋白（GA合成早期酶）关系较近，含有CPS蛋白行使功能所需的保守结构域。此外，拟南芥mnp1突变体极度矮化的缺陷表型被异源转入的MNP1基因恢复。该结果证明mnp1具调控株高发育的功能，表明CPS蛋白在拟南芥和蒺藜苜蓿中功能保守。相关研究成果以Cloning and functional analysis of dwarf gene Mini Plant 1（mnp1）in Medicago truncatula为题，发表在International Journal of Molecular Sciences上。版纳植物园已毕业硕士研究生郭诗琦和张晓嘉为论文的并列第一作者，研究团队成员贺亮亮和陈江华为论文的通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金项目的资助。