改变一个基因 杨树不再“飘雪”

2020年12月04日 13:38:00 来源: 中国科学报
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  杨树在全球广泛分布,是主要的造林用材树种之一。但是杨树飞絮为自身带来了不少“差评”,严重制约了杨树产业的发展。

通过克隆控制杨树雌蕊和雄蕊发育的基因是实现不飞絮、少花粉杨树品种培育的基础科学问题。近日,南京林业大学杨树团队在《自然—通讯》上发表研究论文,为培育不飞絮、少花粉的美洲黑杨新品种提供了原创性成果。

应用导向的基础研究

优质、速生、高产,干形通直,适应性强……我国杨树产业规模庞大,杨树种植面积超过1亿亩,占我国人工林面积的18%。

“杨树是雌雄异株植物。由于雌株生长表现优秀,我国以前选育和推广的杨树良种大多为雌株,在达到性成熟年龄后,每年春季会产生大量飞絮,严重时遮挡视线,带来交通和火灾隐患,也造成严重的污染环境,引发了越来越多的社会关注,解决它自然就提上日程了。”论文通讯作者、南京林业大学教授尹佟明介绍。

然而,树木选育的周期非常长,杨树从杂交育苗到开花大约需要六七年时间,选育过程还必须做大量的田间试验。比如杨树优良品种“南林895”就是经过近20年的研究,从美洲黑杨与欧美杨杂交后代群体中选育出来的。

尹佟明接受《中国科学报》采访时表示,“找到了性别决定基因,就可以在苗期鉴定它将来是否飞絮,进行性别的标记辅助早期选择。现在有了基因编辑技术,还可以对决定雌蕊发育的基因进行准确敲除,做到精准育种,在不改变和影响其他性状的情况下把飞絮问题解决掉。”

提高育种效率、缩短育种周期,在现代林木育种中具有十分重要的意义。那么,如何找到决定植物重要性状的基因呢?南京林业大学杨树团队进行了长期的科学探索。

找到特定基因

团队以美洲黑杨为研究材料,于2012年构建了大规模的遗传群体,对性别决基因在基因组中的位置进行了精细定位,发现美洲黑杨性别连锁区位于杨树19号染色体末端,并在性别决定区发现了Y染色体特异的DNA片段,证实美洲黑杨性别决定系统与人类一样,属XY性别决定系统。同时,利用自然群体进行的全基因组关联分析发现,与性别表型一致的差异序列均来自于Y染色体特异的片段。

这个片段含有两个基因,其中一个基因(FERR-R)是由在雌花中特异表达的基因FERR(该基因位于性别决定区外)复制形成,复制出的基因FERR-R丢失了部分序列,转录产生siRNA反过来攻击FERR基因,使FERR基因的启动子和第一外显子发生甲基化,并降解FERR转录序列,从而抑制FERR基因在雄性中表达。另一个Y染色体特异片段上的基因MSL可以产生长链非编码RNA。

遗传转化拟南芥实验显示,FERR基因的转基因株系出现了雌蕊增加的表型,但过表达该基因不影响雄蕊发育;而MSL基因的转基因株系由野生型的四强雄蕊转变为六强雄蕊,并出现了7~8枚雄蕊的表型,过表达该基因不影响雌蕊发育,MSL有促雄功能。

通过对雌、雄花芽发育过程进行显微切片观察发现,杨树虽然在春天开花,但雌花和雄花原基的形成是在上一年度的8月初。

美洲黑杨雌株只有FERR基因,所以雌花发育,而雄株虽然含有FERR基因,但该基因受到Y染色体特异的FERR-R基因抑制,所以在雄株花序中雌花不发育。基因动态表达研究显示,FERR基因的表达有很强的时空特异性,只在雌花原基分化的早期表达,而在其他组织器官和花原基分化后的发育过程中不表达,所以通过基因编缉技术可以敲除该基因,解决美洲黑杨雌株的飘絮问题;而针对MSL基因的编辑,可以减少花粉污染。

典型例证的意义

植物性别领域国际专家、英国皇家科学院院士Deborah Charlesworth对该项研究工作的原创性和学术价值给予了高度肯定,并就该研究对植物性别分化机制的理论问题,与团队进行了深入合作。

三月份开始飘柳絮,接下来五月中下旬开始飘杨絮,飞絮的困扰往往到七月份才结束。

团队成员、南京林业大学教授薛良交介绍,他们的研究还发现FERR基因、MSL基因同样也在杨属中另外一个亚属物种小叶杨的性别决定区域存在,说明这两个基因是杨树性别决定系统的稳定组分。柳树基因组中也在性别决定区发现了FERR基因的同源基因,因此,杨、柳飘絮可用同样的技术手段解决。

“杨树是用材树种,人们的需求是让它生产木材。开花是生殖生长,每年开花结实要消耗大量营养,势必影响杨树的营养生长。杨树在生产上是利用插条进行无性繁殖的,并不需要通过种子繁殖。利用种子繁殖,子代不能保持优良性状。只能无性繁殖才能保持个体的优良性状。当找到控制重要性状的基因后,可以通过基因编辑技术加速林木的良种培育,该研究提供了一个典型的例证。”尹佟明表示。

本文来源: 中国科学报
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