8.1 New study could lead to development of more drought-resistant corn

这篇文章揭示了通过基因研究改善玉米抗旱能力的潜力,提示了在农业科技领域的投资机会。随着气候变化带来的干旱问题日益严重,开发更具抗旱性的作物品种将成为未来农业的重要方向。投资于相关的生物技术公司或研究机构,可能会带来可观的回报。

ONE SENTENCE SUMMARY:

斯坦福大学的研究揭示了玉米根系如何通过基因机制寻找水源,为开发抗旱玉米品种提供了新思路。

MAIN POINTS:

TAKEAWAYS:

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随着气候变化加剧干旱,斯坦福大学的研究人员发现了一种可能提高玉米抗旱能力的方法。

玉米植株能够通过根尖在土壤中寻找水分,但包括许多用于美国高产玉米育种的品种在内,似乎失去了部分这种能力。根据斯坦福大学主导的一项研究,随着气候变化加剧干旱,这一发现为开发更具抗旱能力的玉米品种提供了潜力。

这项研究发表在 《科学》 杂志上,揭示了根部“水分模式化”背后的遗传机制,即植物根部如何朝向水分分支并避开土壤中干燥区域。研究人员特别发现,已知帮助香蕉成熟的植物激素乙烯也影响根部如何生长以寻找水分。

“植物在‘看到’土壤中水分的位置方面非常复杂,负责这一过程的基因在帮助植物创建优化的根系以高效吸收水分方面起着重要作用,”该研究的资深作者、斯坦福大学 José Dinneny 教授说,他是斯坦福大学 人文与科学学院 的生物学教授。

Dinneny 说,植物本质上是利用根部产生的气态乙烯来感知土壤中的空气空间,然后调节下游激素的根分支。

寻水的根系

虽然 Dinneny 实验室 之前揭示了 玉米根部对水分检测的敏感性,但研究发现植物的这种能力在很大程度上取决于玉米的具体品种。

玉米根在一个定制设计的测定中生长,以测量根分支对水分的反应,这种现象被称为水分模式化。

玉米根在一个定制设计的测定中生长,以测量根分支对水分的反应,这种现象被称为水分模式化。| LiPo Ching, Stanford University

在这项研究中,研究人员开发了一种新的简化方法来研究根部对水分的敏感性,使得分析反映现代玉米育种基因库的250个玉米品种的反应成为可能。他们发现,适应在墨西哥等热带或亚热带地区生长的玉米品种非常擅长向水分方向生长新的根分支并避开干燥区域。相比之下,适应北美温带地区的品种往往在许多方向上生长根部,而不区分土壤中的干湿区域。这项工作得益于多个研究小组在定量遗传学、进化和根系发育方面的国际合作。

研究人员表示,美国种植的现代玉米的开发,作为一种主要作物,通常种植在高度肥沃的农业用地上,可能削弱了植物的寻水根反应。他们还指出,与田间研究的比较表明,较强的水分模式化与更大的根深度有关。

“有趣的是,那些更擅长感知水分位置的植物也在形成更深的根系,”该研究的第一作者、Dinneny 实验室的博士后学者 Johannes Scharwies 说。“一个假设是,如果植物不浪费时间将根分支生长到没有水和养分的地方,那么它就有更多的能量向下生长到更可能有水的地方。”

针对抗旱能力

研究人员通过遗传分析发现,两种植物激素,生长素和乙烯,在玉米根对水分的反应中起作用。虽然生长素已知有助于控制这一过程,但乙烯的参与是一个新发现。在对拟南芥( Arabidopsis thaliana )——一种常用于研究的模式植物——的实验中,研究人员发现这两种激素的遗传信号通路相互补充:生长素信号促进根分支向水分方向发展,而乙烯在根暴露于空气时抑制分支。

拟南芥幼苗在凝胶介质上生长,以研究根对水分的反应。

拟南芥幼苗在凝胶介质上生长,以研究根对水分的反应。| LiPo Ching, Stanford University

需要进一步研究以更好地理解这些遗传通路的相互作用,然后才能开发出具有更抗旱根系的玉米品种,但这些发现强调了研究根尖局部反应的重要性,Scharwies 说。

“每个根尖就像土壤中的传感器。它们寻找水分和养分,并控制新的根分支应该生长的方向,”他说。“我们需要花更多时间研究这些非常局部的根反应,以了解整个植物的行为,然后我们可以利用这些信息开发出更具抗旱能力的植物。”

该研究的其他共同作者包括斯坦福大学的生命科学技术员 Taylor Clarke,实验室经理 Andrea Dinneny,以及博士后学者 Héctor Torres-Martínez,以及来自霍华德·休斯医学研究所、爱荷华州立大学、挪威生命科学大学、挪威奥斯陆大学、英国诺丁汉大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员。

这项研究得到了霍华德·休斯医学研究所、美国能源部、国家科学基金会、英国研究与创新前沿研究、生物技术和生物科学研究委员会、欧洲研究委员会、地平线欧洲和 Evotree 项目的支持。

文章来源:New study could lead to development of more drought-resistant corn

关键问题与行动计划

关键问题 1: 如何利用新发现的基因机制开发更具抗旱性的玉米品种?

行动计划:

  1. 组建跨学科团队:研究团队将与植物生物学、遗传学和农业科学领域的专家合作,深入研究与水分敏感性相关的基因机制,特别是乙烯和生长素的相互作用,以便为抗旱玉米品种的开发提供科学依据。
  2. 开展实验验证:数据团队将收集和分析不同玉米品种在不同水分条件下的生长数据,验证新发现的基因机制在实际种植中的表现,并筛选出最具潜力的抗旱品种。

关键问题 2: 当前气候变化对农业生产的影响如何评估,特别是在干旱频发的地区?

行动计划:

  1. 进行气候影响评估:研究团队将开展针对干旱地区的农业生产影响评估,分析气候变化对作物产量、土壤水分和农民收入的长期影响,形成系统的研究报告。
  2. 开发数据模型:数据团队将利用气候数据、土壤数据和作物生长数据,构建预测模型,评估不同气候情景下的农业生产风险,为投资决策提供数据支持。

关键问题 3: 如何将新技术应用于农业,以提高作物的抗旱能力和水资源利用效率?

行动计划:

  1. 评估新技术:研究团队将对现有的农业技术(如精准灌溉、土壤改良和基因编辑等)进行评估,分析其在提高作物抗旱能力和水资源利用效率方面的潜力。
  2. 开展试点项目:数据团队将与农业企业合作,开展新技术的试点项目,收集相关数据,评估其在实际应用中的效果,并为后续的投资决策提供依据。

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