來源 / 普渡大學(xué)

 

      喬哈爾（Gurmukh (Guri) Johal）是一位科學(xué)家，而不是童話故事講述者。但這位普渡大學(xué)植物學(xué)和植物病理學(xué)教授將他最近獲得專利的玉米基因突變比作“金發(fā)姑娘和三只熊”。就像女孩三次嘗試尋找完美的粥、椅子和床一樣，喬哈爾在 35 年的高產(chǎn)矮玉米之路上嘗試了另外兩種突變，最后發(fā)現(xiàn)了他所說的“恰到好處”的突變。

      

      

      “我在 2020 年新冠疫情爆發(fā)時發(fā)現(xiàn)了金發(fā)姑娘突變，”喬哈爾說。“所以我們無法在實驗室進(jìn)行研究，那一年也無法雇用任何人在該領(lǐng)域工作。一切都是我一個人做的。然后我在田野里發(fā)現(xiàn)了這個突變體——我以前從未見過類似的東西。那是我的頓悟時刻。”他說，這種矮小的玉米變種 D16 可產(chǎn)生高度和活力均最佳的雜交植物。

      

      喬哈爾對玉米矮化機(jī)制的關(guān)注可以追溯到 1988 年，當(dāng)時他是 Pioneer Hi Bred Seed Company（現(xiàn)為 Corteva）的博士后研究員。“我們就是在那里克隆了植物中第一個抗病基因，而該基因恰好是在玉米中，”他說。該特定基因與 brachytic2 (br2) 突變密切相關(guān)，研究人員將其用作遺傳標(biāo)記來克隆該基因以實現(xiàn)抗病性。 

      

      “短縮”是指植物的矮化，其中只有節(jié)間（長出葉子的兩個節(jié)之間的植物莖）縮短。這項工作激發(fā)了喬哈爾對植物高度調(diào)節(jié)和建筑的興趣。“毫無疑問，抗病能力非常重要，但身高也很重要，”他說。

      

      矮型玉米變種可以使農(nóng)民、工業(yè)和環(huán)境受益?；谄湮磥淼臐摿?，D16 吸引了多家大型農(nóng)業(yè)企業(yè)的興趣，原因顯而易見：美國農(nóng)民每年種植 9000 萬英畝玉米。該性狀是非轉(zhuǎn)基因的，因此可以在世界范圍內(nèi)種植，并且在允許的情況下，可以通過基因編輯輕松引入任何精英品系。

      

      “這一特性有可能影響美國及其他地區(qū)的整個玉米作物，”喬哈爾說。

      

      在研究 D16 的過程中，他的研究加深了對另外兩種玉米矮化突變的了解。1995 年，他開始研究花藥穗 1 (an1)，該基因與包括 Norman Borlaug 在內(nèi)的水稻和小麥育種者在 20 世紀(jì) 60 年代培育矮化品種的途徑相同。這些是 20 世紀(jì) 60 年代末綠色革命的關(guān)鍵，阻止了印度次大陸和東南亞的饑荒。

      

      但喬哈爾解釋說，玉米不像大米和小麥。“在 20 世紀(jì) 60 年代，當(dāng)人們在水稻和小麥上進(jìn)行研究并取得了非常成功的時候，人們確實在玉米上進(jìn)行了嘗試。但他們沒有找到合適的東西，所以他們就放棄了。”

      

 

 

      

      喬哈爾自己對 an1 的研究產(chǎn)生了矮化玉米，但高度各不相同。他表明，在小麥和水稻中起作用的機(jī)制（導(dǎo)致植物激素赤霉酸產(chǎn)生的途徑的限制）在玉米中不起作用，因為它影響了花的雄性和雌性的分化。

      

      喬哈爾接下來關(guān)注的是玉米的 brachytic2 (br2) 突變。盡管 br2 于 1951 年首次被發(fā)現(xiàn)，但直到 Johal 和他的研究小組于 2003 年在《科學(xué)》雜志上發(fā)表他們的研究結(jié)果之前，科學(xué)家們并不了解其潛在的遺傳機(jī)制。“我們展示了為什么具有 brachytic2 突變的植物很矮，”他說。

      

      Johal 的團(tuán)隊于 2002 年與 Pioneer 合作克隆了 br2 基因并獲得了專利。專利到期后，其他公司開始應(yīng)用 brachytic2 突變來降低高度并生產(chǎn)他們所謂的智能玉米或短玉米。

      

      但植物育種家也沒有完全理解這一點。“與所有其他植物物種不同，玉米有兩個方面的植物高度，”喬哈爾解釋道。“一個是整體高度。第二個是果穗的高度。” 他補(bǔ)充道，這些似乎是相互沖突的：縮短植物的整體高度會使穗子降低太多；將穗子抬起可以緩解植物矮小的問題。

      

      “通過研究這些突變，我清楚地認(rèn)識到，我們能夠培育出商業(yè)上可行且非常有益的矮玉米植物的唯一方法是，突變是否為顯性突變，因此它必須僅存在于兩個自交系之一中。用于制造雜交植物的品系，”喬哈爾說。“其次，它必須使植物不太高也不太矮。但這個高度范圍的窗口非常窄。”

      

      他的 D16 突變體將玉米高度從 9-10 英尺降低到 6.5-7 英尺，使玉米穗保持在可以用標(biāo)準(zhǔn)美國聯(lián)合收割機(jī)機(jī)械收割的高度。

      

      自 20 世紀(jì) 60 年代以來，玉米育種者通過開發(fā)種質(zhì)使植物生長得更緊密，從而提高了產(chǎn)量。“有些人認(rèn)為仍有增加密度的潛力，”喬哈爾說。“但為了實現(xiàn)這一潛力，我們首先必須降低植株的高度。高大而茂密的植物很容易受到風(fēng)害。這種多米諾骨牌效應(yīng)基本上會導(dǎo)致整個農(nóng)作物倒塌。”

      

      由于氣候變化增加了中西部高速風(fēng)暴“德雷喬斯”的頻率，矮玉米的抗風(fēng)能力尤為重要。2020 年，僅愛荷華州就有 200 萬英畝玉米地被一場德雷喬夷為平地，造成了 80 億美元的損失。種植者不僅失去了農(nóng)作物，還失去了農(nóng)作物?；省⒕鷦┖退劝嘿F的投入全部被浪費了。

      

      喬哈爾說，財務(wù)影響和環(huán)境影響“齊頭并進(jìn)”。他以化肥為例。他指出，普通的雜交品種長得很快，以至于農(nóng)民必須在種植時提供肥料。“但植物在早期很少使用它；他們稍后需要它。” 與此同時，大部分肥料流失或降解。“如果農(nóng)民能夠在后期提供這種農(nóng)作物肥料，我們將需要更少的肥料，”他說。

      

      他說，D16 突變提供了這種可能性。由于矮化玉米每英畝可以種植更多植物，喬哈爾認(rèn)為它可以讓種植者使用更少的土地，這意味著更少的能源、化肥、水和其他費用。

      

      他舉了一個假設(shè)的情況：“如果你有 1,000 英畝的土地，但其中只有 300 英畝的土地真正最適合種植，那就只使用那么多土地。把你最好的基因放在那里，給予它最大的關(guān)注和照顧，那么你從這 300 英畝的土地中獲得的收益可能比整個 1,000 英畝的收益還要多。那么700英畝的土地就可以留給大自然了。”

      

      當(dāng)喬哈爾開車穿過現(xiàn)有的玉米田時，他設(shè)想農(nóng)作物與自然之間的平衡——田野上散布著林地，特別是在低洼地區(qū)，以及更多樹木的所有好處，包括野生動物棲息地和二氧化碳捕獲。他指出，當(dāng)你來到印第安納州的一個鄉(xiāng)村十字路口時，你將能夠看到周圍的矮玉米。