盡管國際育種工作，先進(jìn)的農(nóng)學(xué)和有效的病蟲害管理，由于對(duì)莖稈發(fā)育的限制，甘蔗產(chǎn)量已經(jīng)持續(xù)數(shù)十年。根據(jù)該地區(qū)的專家稱，稈的糖儲(chǔ)存能力受到限制，限制了從作物中獲取的糖和第二代(2G)乙醇生產(chǎn)的蔗糖和生物量。

“通過常規(guī)育種[品種雜交]突破這一發(fā)展門檻正在證明是困難的，”巴西坎皮納斯大學(xué)生物學(xué)研究所(IB-UNICAMP)遺傳學(xué)，進(jìn)化與生物學(xué)系教授Marcelo Menossi教授說。

Menossi與他和在巴西國家生物乙醇科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(CTBE)，澳大利亞糖業(yè)研究所和德國馬丁路德大學(xué)Halle-Wittenberg(MLU)的同事監(jiān)督的研究生合作，發(fā)現(xiàn)克服甘蔗這一限制的關(guān)鍵產(chǎn)量可能在于一種名為ScGAI的基因。

在與BIOEN相關(guān)的項(xiàng)目期間進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，來自FAPESP-SãoPaulo研究基金會(huì)的生物能源研究計(jì)劃，Menossi及其合作者發(fā)現(xiàn)，ScGAI是甘蔗莖稈發(fā)育的重要調(diào)節(jié)因子。

通過操縱該基因在澳大利亞開發(fā)的轉(zhuǎn)基因甘蔗品系中的活性，研究人員成功地大幅增加了稈體積并改變了碳分配到結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)存分子。他們現(xiàn)在在Journal of Experimental Botany發(fā)表的一篇文章中報(bào)道了他們的發(fā)現(xiàn)。

“我們改變ScGAI表達(dá)的甘蔗種類發(fā)展得更快。這意味著應(yīng)該有可能培育出能夠更快成熟并且每單位時(shí)間生產(chǎn)更高生物量的各種能量甘蔗，”Menossi說。

這一發(fā)現(xiàn)源自博士學(xué)位。Rafael Garcia Tavares的研究，在Menossi的監(jiān)督下在IB-UNICAMP進(jìn)行，并獲得FAPESP的獎(jiǎng)學(xué)金。

在研究期間，發(fā)現(xiàn)ScGAI介導(dǎo)甘蔗種植者使用的發(fā)育激素的調(diào)節(jié)，例如乙烯和赤霉素。

赤霉素廣泛用于提高許多作物的產(chǎn)量，并通過觸發(fā)DELLA蛋白的快速降解來加速甘蔗成熟，從而防止DELLA蛋白與刺激莖稈發(fā)育的其他蛋白質(zhì)相互作用并降解。

“乙烯通常在成熟階段應(yīng)用于甘蔗種植園，當(dāng)時(shí)農(nóng)民希望植物繼續(xù)積累蔗糖而不是生長并產(chǎn)生更多的葉子。與赤霉素不同，它可以穩(wěn)定DELLA并讓它們與其他生長促進(jìn)蛋白相互作用并降解。然而，DELLA作為甘蔗生長調(diào)節(jié)劑的作用卻知之甚少，“Menossi說。

專利操縱方法

為了更好地了解DELLA如何調(diào)節(jié)甘蔗生長，特別是在莖稈發(fā)育方面，研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，他們改變了澳大利亞甘蔗品種中的ScGAI表達(dá)。

在某些方面，ScGAI被沉默以減少DELLA的產(chǎn)生并阻止它們降解有助于植物發(fā)育的其他蛋白質(zhì)。

在其他方面，研究人員采取措施確?；蜻^度表達(dá)，目的是增加DELLA的產(chǎn)量并穩(wěn)定它們，使它們繼續(xù)降解促生長蛋白質(zhì)。

在四個(gè)月后進(jìn)行的比較分析中，ScGAI過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因甘蔗品系顯示出生長發(fā)育遲緩，節(jié)間短，能量代謝受損。

相反，ScGAI沉默的植物更高并且表現(xiàn)出快速的節(jié)間伸長，增加的植物體產(chǎn)生和更多的碳分配到莖。該植物體定義為包含節(jié)點(diǎn)和節(jié)間，其腋芽和附著葉的單元。

“該研究清楚地表明，ScGAI基因是甘蔗發(fā)育的基本組成部分，可以成為遺傳操作的目標(biāo)，通過調(diào)節(jié)DELLA蛋白來干預(yù)植物生長速度，”FAPESP研究項(xiàng)目的協(xié)調(diào)員說。

研究人員申請(qǐng)了他們?yōu)榭刂芐cGAI而發(fā)明的方法專利，以減少甘蔗中DELLAs的含量，從而使植物發(fā)育更快。兩家公司表示對(duì)該技術(shù)感興趣。

“下一步是進(jìn)行田間試驗(yàn)，看看我們是否可以通過在溫室中種植帶有操縱基因的轉(zhuǎn)基因株系獲得相同的結(jié)果，”Menossi說。