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柳枝稷杂交种可以深入了解植物的进化

柳枝稷作为潜在的生物能源作物具有吸引力,因为它可以生长多年而无需重新种植。柳枝稷比典型的一年生作物如玉米需要更少的肥料,可以在土壤中和空气和水道中保留更多的氮,磷和碳。但是,与玉米不同,柳枝稷的最佳性状育种仍处于早期阶段。

现在,与美国能源部或美国能源部,联合基因组研究所,美国能源部科学用户设施办公室和德克萨斯大学奥斯汀分校合作,密歇根州立大学的大湖生物能源研究中心研究人员已确定具体部位植物内的遗传密码可以促进较大的柳枝稷收获,同时减少潜在的作物缺陷。

密歇根州立大学植物生物学助理教授David Lowry和UT奥斯汀综合生物学教授Thomas Juenger领导的团队确定了在广泛的气候条件下促进柳枝稷生长的基因 - 这些植物可以培育成包括这些植物遗传标记。

此外,研究人员发现柳枝稷中的一些适应性特征通常可以在不损害植物健康的情况下得到改善。这项研究的结果发表在本周的“美国国家科学院院刊”上。

与许多驯化植物一样,柳枝稷具有适应不同地理区域的多个栽培品种。北部高地柳枝稷通常生活在南达科他州,密歇根州和威斯康星州等山脊和草原地区。这个品种并不介意寒冷,可以在寒冷的冬天生存,就像北方的许多事情一样。

然而,北方柳枝稷的生长速度并不像南部低地生态型那么大,而是生长在从密苏里州和堪萨斯州到德克萨斯州的湿润,沼泽地区。南方栽培品种也具有更强的抗虫性,可以更好地抵御干旱和洪水等极端条件。另一方面,南方的生态型不能忍受寒冷的冬天,经常在天气变得寒冷时死亡。

为了充分利用这两个方面,Lowry,Juenger及其合作伙伴在美国中部 - 从德克萨斯州到南达科他州 - 进行了一项实验,以确定哪些地点导致适应寒冷北部地区的品种与炎热的南部地区之间存在差异。

我们感兴趣的是,在一些地方(比如在南方)提高性能的地点往往会在其他地方(比如在北方)的成本或权衡取得成功,”Juenger说。“这10个地点主要是选择参与过去几年我们在柳枝稷群落中遇到过或与之交互的人群 - 并涵盖了物种的纬度分布。我们真的试图将田间种植作为一个社区来建设资源“。

首先,他们创造了两个品种的杂交品种,然后在覆盖整个地理区域的10个地点种植了数百种相同的柳枝稷杂交种。然后,比较杂种与每个位点的亲本品种的生长,研究人员使用称为数量性状基因座或QTL定位的方法分离了有益结果的遗传原因。

南方品种通常是较大的草,因此研究人员经常认为它的位点将是增加杂交种大小的唯一原因。令人惊讶的是,该实验表明,北方柳枝稷基因也在增加生物量方面发挥作用。

“这意味着如果我们可以通过杂交将这些基因组结合在一起,我们实际上可以得到产量更高的植物,”洛瑞说。

遗传适应通常需要权衡。例如,赋予北方冬季抗寒能力的特性可能会使资源从增长中分流。同样,南方适应植物中生长基因的流行可能会降低其耐寒性。

在这项研究中,增长的有利特征在该国的一个地区得到表达,而其他地区则没有减少。“这告诉我们一些关于适应如何运作以及它如何为农业带来利益的信息,”洛瑞说。“如果我们可以在这些地点选择,我们可以获得一个没有太多成本的好处。”

因为他们设计的研究涵盖了如此广阔的地理区域,该小组可以隔离这些双赢的遗传方案。

“通常只有两个现场参与这些类型的实验,但我们有10个,”洛瑞说。“所以我们有一个更好的想法,就是这些基因座的成本要低得多。”

“我们对植物在不同环境中的调整方式有了新的认识,”洛瑞说。“了解柳枝稷如何适应美国北部与美国南部将使我们能够利用这些知识将其作为生物能源作物进行改良。”

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