美國克萊姆森大學(xué)一支研究團隊在谷類作物衰老的遺傳學(xué)方面取得了突破。在氣候變化時代，這可能對未來糧食安全產(chǎn)生巨大影響。

       “衰老意味著‘細胞或器官在其所屬生物體中的死亡’。它幾乎無處不在。”Rajan Sekhon是一名植物遺傳學(xué)家。他作為主要作者撰寫的研究論文發(fā)表在《植物細胞》上，探索了玉米和其他谷類作物衰老過程中鮮為人知的遺傳結(jié)構(gòu)。

       當(dāng)秋天天氣變化，樹木“意識”到自己不能支撐葉子時，就會“殺死”它們，結(jié)果便是葉子在變色后枯萎。從樹葉中獲取的能量則儲存在植物的樹干或根部，用于明年春天快速繁殖樹葉。衰老對樹木來說非常有意義。

       對于其他一些可食用植物，特別是像玉米、水稻和小麥這樣的谷類作物來說，情況又如何？

       “農(nóng)民對這些作物照料得非常仔細，并以化肥的形式提供過量營養(yǎng)，所以葉子不是過早死亡，而是通過光合作用繼續(xù)制造糧食。了解玉米等作物衰老的觸發(fā)因素意味著科學(xué)家可以通過改變植物的方式使饑餓的世界受益。”Sekhon解釋說。

       在他看來，如果能減緩衰老，便可以讓植物在更長的時間內(nèi)保持綠色。這些被稱為“永葆綠色”的植物名副其實：綠色時間更長、產(chǎn)量更高，面對干旱和高溫等環(huán)境因素時更有抗性。

       盡管植物育種家一直在選擇那些延遲衰老的植物，但卻不完全了解衰老是如何在分子水平上起作用的。

       衰老是一個復(fù)雜的性狀，受多種內(nèi)外因素影響、多種基因共同作用的調(diào)控。因此，現(xiàn)成的遺傳方法并不能完全揭開這個過程。Sekhon團隊的新突破是應(yīng)用系統(tǒng)遺傳學(xué)方法的結(jié)果。

       研究人員研究了玉米綠色性狀的自然遺傳變異。這個過程包括種植400種不同類型的玉米，每種玉米都在基因上彼此不同，然后測量它們的衰老程度（即表型）。此后，研究人員將每一個玉米自交系的基因型與其表型聯(lián)系起來，以確定64個可能導(dǎo)致衰老的候選基因。

       Sekhon說：“實驗的另一部分是利用一種綠色植物和一種非綠色植物，觀察大約4萬個基因在衰老過程中的表達。”研究人員每隔幾天檢查一次樣本，并判斷在特定時間段內(nèi)哪些基因得到了表達。他們識別了600多個基因，它們似乎決定了一種植物是否會保持綠色。

       研究中的一個大問題是假陽性的出現(xiàn)，因此，研究人員不得不用一種新方法，將兩個大型實驗的結(jié)果仔細地結(jié)合起來，以確定一些高置信度的靶基因。這些靶基因可以作進一步測試，以確認它們在衰老中的作用。他們結(jié)合數(shù)據(jù)集，再將其縮小到14個候選基因，并最終確定了兩個基因。

       “最顯著的發(fā)現(xiàn)之一是糖似乎決定衰老。”Sekhon表示，當(dāng)糖沒有從通過光合作用產(chǎn)生它們的葉子上移開時，糖分子開始發(fā)送信號啟動衰老“開關(guān)”。

       并非在植物中發(fā)現(xiàn)的所有糖都能發(fā)出信號。研究人員在研究中發(fā)現(xiàn)的一個基因似乎可以將葉細胞中的復(fù)雜糖分解成更小的糖分子——六碳醣，如葡萄糖和果糖，它們具有傳遞衰老信號的能力。

       “我們發(fā)現(xiàn)糖的分配是衰老的關(guān)鍵因素。這對糧食安全的影響極大。植物生產(chǎn)的糖應(yīng)該被轉(zhuǎn)移到可以用作食物、養(yǎng)活更多人口的各種器官上，如種子，而不是停留在葉子上，它在那里開始衰老并停止了所有合成過程。不過，有些植物會先‘填充’種子，然后再‘填充’其他部分，至少可以在莖干或秸稈中儲存額外能量。”Sekhon說。

       收獲谷物種子后，秸稈可用作動物飼料或生物燃料。隨著糧食和能源需求的增加，人們對發(fā)展既能提供糧食又能提供秸稈的“兩用作物”的興趣越來越大，因為每株植物產(chǎn)生的總能量更多。

       農(nóng)田正變得稀缺，研究植物衰老的重要性上升。該研究鑒定的基因可能在其他谷類作物，如水稻、小麥和高粱中也具有同樣的功能。Sekhon表示，下一步將用突變體和基因編輯研究這些基因的功能。