下一代农作物的开发：研究赶上了世界上增长最快的工厂

紫花苜蓿芽（包括根和叶）的游戏中时光倒流代表植物的快速生长。

索尔克（Salk）研究人员发现，小型水生植物可以深入了解基因组设计原理，从而可以开发下一代农作物。

Wolffia，也被称为浮萍，是已知生长最快的植物，但是这种奇怪的小植物成功的遗传学长期以来一直是科学家们的一个谜。现在，由于基因组测序的进步，研究人员正在学习使这种植物独特的原因，并在此过程中发现了植物生物学和生长的一些基本原理。

由Salk研究所的科学家牵头的一项由多个研究人员共同开展的研究活动正在报告有关该植物基因组的新发现，这些新发现说明了该植物如何如此快速地生长。这项研究发表在2021年2月的基因组研究上，将帮助科学家了解植物如何在生长和其他功能（例如扎根和保护自己免受害虫）之间进行权衡。这项研究对于设计针对特定功能进行了优化的全新工厂具有重要意义，例如增加碳储量以帮助应对气候变化。

该论文的第一作者，萨克植物分子与细胞生物学实验室的研究教授托德·迈克尔说：“得益于真正简单的生物，例如酵母，细菌和蠕虫，科学领域取得了很大进步。”这里的想法是，我们可以使用诸如 Wolffia之类的绝对最小的植物来了解使植物成为植物的基本原理。

浮萍（Wolffia）是类似于浮在水面上的玉米面斑点的水生植物。

在南极洲以外的每个大陆上都发现淡水生长的 Wolffia，看起来像微小的漂浮绿色种子，每棵植物只有一个针头大小。它没有根，只有一个融合的茎叶结构，称为叶状。当子代植物从母亲那里萌芽时，它的繁殖类似于酵母。一些专家认为， Wolffia可以在短短一天的时间内增加一倍的时间，从而成为养活地球上不断增长的人口的重要蛋白质来源。（它已经在东南亚的某些地区被吃掉了，被称为“开南”（khai-nam），意为“水鸡蛋”。）

为了了解 Wolffia基因组的哪些适应是其快速生长的原因，研究人员在光/暗周期下种植了这些植物，然后对其进行分析以确定哪些基因在一天中的不同时间处于活跃状态。（大多数植物的生长受光周期和黑暗周期的调节，大部分生长在早晨进行。）

令人惊讶的是，与其他植物相比， Wolffia只有受光/暗循环调节的基因数量只有一半。“我们认为这就是为什么它增长如此之快的原因。它没有限制它成长的法规。”

研究人员还发现，不存在与植物行为的其他重要元素相关的基因，例如防御机制和根系生长。迈克尔补充说：“这种植物已经去除了大部分不需要的基因。”“它似乎已经演变为只专注于不受控制的快速增长。”

从左起：托德·迈克尔（Todd Michael）和约瑟夫·埃克（Joseph Ecker）。

HHMI研究人员和Salks基因组分析实验室主任，论文的合著者Joseph Ecker教授说，有关 Wolffia基因组的数据可以提供重要的见解，以了解植物如何发展其身体计划与它们如何生长。“该植物有望成为一种新的实验室模型，用于研究植物行为的主要特征，包括基因如何促进不同的生物活性。”

迈克尔实验室的重点之一是学习如何从头开始开发新植物，以便可以针对某些行为对其进行优化。当前的研究扩展了基础植物生物学的知识，并为改善作物和农业提供了潜力。由Salk的“利用植物计划”倡导的方法，通过使植物更好地从大气中储存碳，可以优化植物以应对气候变化的威胁。

Michael计划继续研究 Wolffia，以通过使用这种简化的植物来了解控制命运的网络，从而更多地了解植物发育的基因组架构。

参考：Todd P. Michael，Evan Ernst，Nolan Hartwick，Philomena Chu，Douglas Bryant，Sarah Gilbert，Stefan Ortleb和Erin L.撰写的“ Wolfia australiana的基因组和一天中的转录组将形态最小化与基因损失和较少的生长控制联系在一起”。 Baggs，K.Sowjanya Sree，Klaus J.Appenroth，Joerg Fuchs，Florian Jupe，Justin P.Sandoval，Ksenia V.Krasileva，Ljudmylla Borisjuk，Todd C.Mockler，Joseph R. 2020年12月，基因组研究.DOI：
10.1101 / gr.266429.120

该研究的其他作者是No. Hartwick，Florian Jupe和Salk的Justin P. Sandoval。冷泉港实验室的Evan Ernst和Robert A.Martienssen；新泽西州立大学罗格斯分校的Philomena Chu，Sarah Gilbert和Eric Lam； Donald Danforth植物科学中心的Douglas Bryant和Todd C. Mockler；德国莱布尼兹植物遗传与作物研究所的Stefan Ortleb，Joerg Fuchs和Ljudmylla Borisjuk；加州大学伯克利分校的Erin L. Baggs和Ksenia V. Krasileva；印度喀拉拉邦中央大学的K. Sowjanya Sree；德国耶拿大学弗里德里希·席勒大学的克劳斯·阿彭罗斯（Klaus J. Appenroth）。

这项工作是由美国能源部科学办公室，生物与环境研究办公室计划资助的。它也得到了罗格斯大学新泽西州农业实验站和霍华德·休斯医学院的Hatch项目的资助。