科學(xué)家創(chuàng)造出新型轉(zhuǎn)基因玉米 產(chǎn)量提高10%

來源：中國科學(xué)報

本報訊長期以來，基因工程的支持者們一直堅信，它將有助于滿足全球日益增長的糧食需求。然而，盡管已經(jīng)培育出許多抗蟲害和抗除草劑的轉(zhuǎn)基因作物，科學(xué)家在促進農(nóng)作物產(chǎn)量方面卻一直難有作為。如今，研究人員首次證明，通過改變一種促進植物生長的基因，他們終于可以放心地將玉米產(chǎn)量提高10%，而不用管生長條件是好是壞。

“這太不可思議了。”并未參與該項研究的美國艾姆斯市愛荷華州立大學(xué)分子生物學(xué)家Kan Wang說。她表示，除了提高玉米產(chǎn)量外，新的轉(zhuǎn)基因技術(shù)還將激勵研究人員努力提高其他農(nóng)作物的產(chǎn)量。

全世界種植最廣泛的轉(zhuǎn)基因作物(包括大豆、玉米和棉花)都是通過一些相對簡單的基因改良創(chuàng)造出來的。例如，通過將細菌的一個基因添加到特定的農(nóng)作物品種中，科學(xué)家賦予了它們合成一種可以殺死多種昆蟲的蛋白質(zhì)的能力。另一種簡單的基因操作結(jié)果可以使農(nóng)作物抵抗草甘膦或其他除草劑，這樣做的一個好處是讓農(nóng)民可以在不侵蝕土壤的前提下除掉雜草。還有一種操作可以在干旱時保護農(nóng)作物。但是，由于植物的生長過程涉及許多復(fù)雜的遺傳因素，因此想要培育出在良好條件下產(chǎn)出更多糧食的農(nóng)作物，難度很大。

從2000年開始，世界各地的轉(zhuǎn)基因公司開始認真篩選能夠提高農(nóng)作物產(chǎn)量的單個基因。然而只有少數(shù)經(jīng)過鑒定的基因顯示出了希望，并且由于成功率低，許多公司已經(jīng)減少或停止篩選與農(nóng)作物產(chǎn)量有關(guān)的基因。

但是Corteva農(nóng)業(yè)科學(xué)公司(一家位于特拉華州威明頓的化學(xué)和種子公司)的研究人員決定研究那些像總開關(guān)一樣影響農(nóng)作物生長和產(chǎn)量的基因。

研究人員選擇了在許多植物中常見的一類名為MADS-box的基因，然后在其中選擇了一種基因(zmm28)來改變玉米植株。研究調(diào)節(jié)發(fā)育的基因的挑戰(zhàn)在于確保它們在正確的時間和正確的組織類型中開啟正確的數(shù)量。參與領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Corteva農(nóng)業(yè)科學(xué)公司的植物生理學(xué)家Jeff Habben說，如果基因過于活躍，“很容易把植物搞得一團糟”。

研究小組的目標(biāo)是使zmm28與一個新的啟動子融合，后者是一段控制基因激活時間的脫氧核糖核酸。在嘗試了十幾次之后，他們找到了一種可靠的方法。

通常，當(dāng)玉米開始開花時，zmm28就會啟動。而增加的啟動子能夠比自然發(fā)生更早地啟動zmm28，并且在開花后繼續(xù)促進基因的有益作用。

“如果你讓基因工作得更努力、更長久，就能讓植物表現(xiàn)得更好。”Wang說。

研究人員在48種商用玉米中測試了增強基因的表現(xiàn)，這些玉米被稱為雜交玉米，通常用于飼養(yǎng)牲畜。在2014年至2017年的美國玉米種植區(qū)田間試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因雜交作物的產(chǎn)量通常比對照組作物多3%~5%。

研究小組本周在美國《國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表報告稱，有些玉米的產(chǎn)量增加了8%~10%。同時不管生長條件是好是壞，這種好處都是存在的。

“這是轉(zhuǎn)基因作物在田間環(huán)境中對產(chǎn)量發(fā)揮實際作用的最好例子之一。”英國哈彭登市洛桑研究所農(nóng)作物科學(xué)家Matthew Paul說。

導(dǎo)致玉米增產(chǎn)的原因有幾個。首先，經(jīng)過基因改造的植物的葉子要稍大一些，從而使植物將陽光轉(zhuǎn)化為糖分的能力提高了8%~9%。

“這種增長確實是一件大事。”Corteva農(nóng)業(yè)科學(xué)公司植物生理學(xué)家Jingrui Wu說，因為通過基因工程很難改善光合作用。

其次這些植物在利用氮的效率方面也提高了16%~18%。氮是一種重要的土壤營養(yǎng)物質(zhì)，復(fù)雜的遺傳因素使其成為植物育種家難以控制的另一種特性。

比利時佛蘭德斯VIB研究所分子生物學(xué)家Dirk Inze說：“從商業(yè)角度來說，這看起來很有希望。”Corteva農(nóng)業(yè)科學(xué)公司已經(jīng)向美國農(nóng)業(yè)部(USDA)申請批準新的高產(chǎn)雜交品種。(雖然zmm28及其啟動子在玉米中自然存在，但它們是使用被USDA監(jiān)管的一種生物技術(shù)配對的)

Habben估計，這項新技術(shù)大概需要6到10年的時間才能獲得世界各國的正式批準。Inze說，相關(guān)的調(diào)控基因很有可能提高其他谷物的產(chǎn)量。

玉米的大規(guī)模田間示范“強化了我們的信念，即如果我們處理得當(dāng)，內(nèi)在產(chǎn)量是可以提高的”。Wang說，“這確實會給人們帶來靈感。”

關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)基因