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科学家建立碳四禾谷类研究的模式植物体系

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  近日,中国农业科学院作物科学研究所与山西农业大学等单位合作利用迷你谷子构建碳四(C4)禾谷类作物研究的模式植物体系。相关研究成果在线发表在《自然-植物(Nature Plants)》上。

  据隋毅博士介绍,模式植物拟南芥和水稻在作物科学基础研究领域发挥着不可替代的作用,然而它们都是碳三(C3)植物,C4作物中还没有理想的模式植物,一定程度上制约了C4植物基础研究的发展。谷子为二倍体,其基因组小,且自花授粉,又有高质量的参考基因组,是极具发展潜力的禾谷类模式植物。但是,谷子生育期较长、株高较高、遗传转化困难等特点极大地限制了其作为模式植物在功能基因组学研究中的应用。

  研究人员通过诱变筛选到一个超早熟突变体 xiaomi 。该突变体生育期仅2个月左右,株高仅30厘米左右,与模式植物拟南芥相当。在此基础上,组装了高质量参考基因组,构建了全生育期基因表达图谱和谷子多组学数据库(http://sky.sxau.edu.cn/MDSi.htm)。该研究还建立了一套方便快捷、高效稳定的农杆菌介导的 xiaomi 遗传转化体系,该体系遗传转化效率高达23.28%,已经接近模式植物拟南芥和水稻遗传转化水平,从而解决了 xiaomi 作为模式植物进行功能基因组学研究的最大障碍。类似拟南芥类的超短生育期和株高以及上述资源和遗传转化体系,使得 xiaomi 成为C4禾谷类研究的理想模式植物体系。该体系的建立必将极大促进C4高光效、氮素高效吸收利用机制、抗旱机制、遗传驯化和优异品质形成的分子基础等研究。

  中国科学院院士、作科所所长钱前说:“C3的模式作物有‘小薇’,C4又有了‘小米( xiaomi )’,希望‘小薇’和‘小米’共同筑起基础研究领域的新平台,为保障国家粮食安全做出应有的贡献。”同期,该期刊发表的评论文章对该研究给予了高度评价。

  

  模式植物拟南芥、 xiaomi 和谷子遗传转化流程图

  该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和山西省重点研发计划资助。(通讯员 卫斐)

  原文链接:https://doi.org/10.1038/s41477-020-0747-7

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