‘Scarecrow’基因可能会引发粮食生产的巨大增长

预计到2050年将有95亿人口,人类将面临着向现代饮食提供更多食物,同时使用与今天相同数量的水,肥料和耕地的挑战。

康奈尔大学(Cornell University)的研究人员朝着满足这些需求的方向迈出了一大步,他发现了一个基因,该基因可以导致主食作物新品种的高产50%。该基因名为稻草人,是第一个被发现可以控制特殊叶片结构的植物,这种结构被称为Kranz解剖结构,可以提高光合作用的效率。使用以下两种方法之一进行植物的光合作用:C3,这是大多数植物(包括小麦和水稻)中发现的效率较低,古老的方法; C4是草,玉米,高粱和甘蔗采用的更有效的适应方法,更适合干旱,强烈的阳光,高温和低氮。

'Scarecrow'基因可能会引发粮食生产的巨大增长“研究人员一直在尝试寻找Kranz解剖结构的基础遗传学,以便我们可以将其工程化为C3作物,”托马斯·斯莱温斯基(Thomas Slewinski)说,该杂志在线发表的论文的主要作者 植物与细胞生理学。 Slewinski是高级作者Robert Turgeon(植物生物学教授)在实验室的博士后研究人员。

这一发现“提供有关如何调节整个解剖钥匙的线索,” said Turgeon. “There’还有很多东西要学,但是现在谷仓门是敞开的,您将看到人们在稻草人道路上工作。”

他补充说,将C4机制转移到C3工厂中的承诺已得到全球数十年的热烈追捧和资助。

研究人员说,如果通过基因工程将C4的光合作用成功地转移到C3植物上,农民可以在较热,干燥的环境中以较少的肥料种植小麦和水稻,同时可能使单产提高一半。

C3光合作用一次起源于地球’大气中二氧化碳含量高的历史C4植物在不同的时间和地点独立于C3植物进化了约60次。 C4适应涉及叶片的Kranz解剖,其中包括围绕静脉的一层特殊的束鞘细胞和一层称为叶肉的细胞外层。束鞘细胞和叶肉细胞通过使用不同种类的叶绿体,以两步形式进行光合作用。

通过仔细观察植物的进化和解剖结构,Slewinski认识到C4植物的叶子中的束鞘细胞类似于内在的细胞,其围绕着根和茎的血管组织。

Slewinski怀疑,如果C4留下与根和茎共享的内胚层基因,那么控制那些细胞类型的遗传学也可能会共享。斯莱温斯基(Slewinski)寻找具有突变稻草人基因的实验玉米系,他知道该基因控制着根部的内胚层细胞。

当研究人员种植这些植物时,他们首先发现了根部的问题,然后检查了束鞘的异常情况。他们发现稻草人突变体的叶子具有异常且增殖的束鞘细胞和不规则的静脉。

在所有植物中,一种叫做RuBisCo的酶促进了从空气中捕获二氧化碳的反应,这是生产蔗糖的第一步,蔗糖是为植物提供动力的光合作用的高能产品。但是在C3工厂中,RuBisCo还促进了与氧气的竞争性反应,产生了必须降解的副产物,其总效率约为30%至40%。在C4工厂中,二氧化碳固定过程分为两个阶段。第一步发生在叶肉中,该反应的产物穿梭到束鞘中进行RuBisCo步骤。 RuBisCo步骤非常有效,因为在束鞘细胞中,氧浓度低,而二氧化碳浓度高。这消除了竞争性氧反应的问题,使工厂效率更高。



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