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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

科學(xué)家通過(guò)分子精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提高甜高粱飼用效率

2025-07-18 遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所

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語(yǔ)音播報(bào)

近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員謝旗團(tuán)隊(duì)在《分子植物》（Molecular Plant）期刊在線發(fā)表了題為Vascular tissue-specific expression of an endo-1,4-β-xylanase enhances forage efficacy of sweet sorghum silage的研究論文。該研究解析了一個(gè)高粱木聚糖水解酶基因的功能，通過(guò)維管組織特異互補(bǔ)策略，破解了甜高粱木聚糖水解酶突變體飼料消化率與生物量負(fù)相關(guān)的育種難題，為能源作物木質(zhì)纖維素的高效利用提供了新思路。

高粱是世界第五大禾谷類作物，對(duì)非生物脅迫，比如干旱、高溫、貧瘠、鹽堿等有良好耐受性。甜高粱除具有以上特點(diǎn)外，還表現(xiàn)生物量大、糖分含量高等優(yōu)點(diǎn)，可以作為青貯飼料在邊際土地種植，促進(jìn)土地經(jīng)濟(jì)效益提升和畜牧業(yè)發(fā)展。然而，木質(zhì)纖維素難以高效利用限制了甜高粱作為青貯飼料的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)篩選甜高粱E048的EMS突變體庫(kù)，發(fā)現(xiàn)了一株編號(hào)為M19的突變體。該突變體葉片表現(xiàn)異常柔軟，同時(shí)伴隨株高降低、葉尖枯死、生物量下降等不利表型。利用MutMap+分析結(jié)合基因編輯驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)將糖基水解酶GH10家族的一個(gè)木聚糖水解酶基因SbXyl確定為目的基因。該基因在突變體中發(fā)生了一個(gè)C到T的點(diǎn)突變導(dǎo)致編碼蛋白的提前終止，破壞了GH10結(jié)構(gòu)域，使其不能正常水解底物木聚糖?；虮磉_(dá)模式分析顯示，SbXyl在發(fā)育中的莖節(jié)表現(xiàn)特異的高表達(dá)，其功能缺失引發(fā)了雙重效應(yīng)：一方面影響維管組織發(fā)育，造成維管束面積減小、纖維細(xì)胞次生壁變薄，導(dǎo)致水分運(yùn)輸受阻和生長(zhǎng)發(fā)育缺陷；另一方面影響細(xì)胞壁組分和結(jié)構(gòu)，提升了突變體的飼用品質(zhì)。體外瘤胃消化測(cè)定結(jié)果顯示，未青貯突變體植株較比野生型植株消化率提升了14.7%；青貯后突變體植株消化率仍比野生型植株高7.7%。但突變體生長(zhǎng)發(fā)育的缺陷限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

為破解突變體品質(zhì)與生物量負(fù)相關(guān)的難題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了維管組織特異互補(bǔ)（VSC）策略。通過(guò)同源基因比對(duì)、轉(zhuǎn)錄組分析和GUS報(bào)告系統(tǒng)確定了高粱維管組織特異表達(dá)基因SbNAC31，利用SbNAC31基因的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)SbXyl在突變體中表達(dá)。表型觀察和測(cè)定結(jié)果表明，VSC轉(zhuǎn)基因株系成功彌補(bǔ)了突變體生長(zhǎng)發(fā)育缺陷，使得水分運(yùn)輸能力和生物量都恢復(fù)到野生型水平。值得一提的是，VSC株系保留了突變體優(yōu)異飼料品質(zhì)的特征：未青貯野生型植株消化率為47.72%，不同VSC株系的消化率為51.27%-54.03%，較野生型提高7.5%-13.2%；青貯后野生型植株消化率為51.08%，不同VSC株系的消化率為54.81%-55.12%，仍表現(xiàn)比野生型高7.3%-7.9%的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，VSC株系的消化率與突變體沒(méi)有顯著差異。

該研究解析了高粱木聚糖水解酶基因SbXyl在次生壁沉積和維管組織發(fā)育中的功能，利用維管組織特異互補(bǔ)策略成功對(duì)木聚糖水解酶突變體進(jìn)行了改造利用，為能源作物木質(zhì)纖維素的高效利用奠定了基礎(chǔ)。

該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。

木聚糖水解酶基因突變體表現(xiàn)飼料消化率的提升

VSC材料在恢復(fù)突變體生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)保留了優(yōu)異飼用品質(zhì)

近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員謝旗團(tuán)隊(duì)在《分子植物》（Molecular Plant）期刊在線發(fā)表了題為Vascular tissue-specific expression of an endo-1,4-β-xylanase enhances forage efficacy of sweet sorghum silage的研究論文。該研究解析了一個(gè)高粱木聚糖水解酶基因的功能，通過(guò)維管組織特異互補(bǔ)策略，破解了甜高粱木聚糖水解酶突變體飼料消化率與生物量負(fù)相關(guān)的育種難題，為能源作物木質(zhì)纖維素的高效利用提供了新思路。高粱是世界第五大禾谷類作物，對(duì)非生物脅迫，比如干旱、高溫、貧瘠、鹽堿等有良好耐受性。甜高粱除具有以上特點(diǎn)外，還表現(xiàn)生物量大、糖分含量高等優(yōu)點(diǎn)，可以作為青貯飼料在邊際土地種植，促進(jìn)土地經(jīng)濟(jì)效益提升和畜牧業(yè)發(fā)展。然而，木質(zhì)纖維素難以高效利用限制了甜高粱作為青貯飼料的發(fā)展?jié)摿?。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)篩選甜高粱E048的EMS突變體庫(kù)，發(fā)現(xiàn)了一株編號(hào)為M19的突變體。該突變體葉片表現(xiàn)異常柔軟，同時(shí)伴隨株高降低、葉尖枯死、生物量下降等不利表型。利用MutMap+分析結(jié)合基因編輯驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)將糖基水解酶GH10家族的一個(gè)木聚糖水解酶基因SbXyl確定為目的基因。該基因在突變體中發(fā)生了一個(gè)C到T的點(diǎn)突變導(dǎo)致編碼蛋白的提前終止，破壞了GH10結(jié)構(gòu)域，使其不能正常水解底物木聚糖?；虮磉_(dá)模式分析顯示，SbXyl在發(fā)育中的莖節(jié)表現(xiàn)特異的高表達(dá)，其功能缺失引發(fā)了雙重效應(yīng)：一方面影響維管組織發(fā)育，造成維管束面積減小、纖維細(xì)胞次生壁變薄，導(dǎo)致水分運(yùn)輸受阻和生長(zhǎng)發(fā)育缺陷；另一方面影響細(xì)胞壁組分和結(jié)構(gòu)，提升了突變體的飼用品質(zhì)。體外瘤胃消化測(cè)定結(jié)果顯示，未青貯突變體植株較比野生型植株消化率提升了14.7%；青貯后突變體植株消化率仍比野生型植株高7.7%。但突變體生長(zhǎng)發(fā)育的缺陷限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。為破解突變體品質(zhì)與生物量負(fù)相關(guān)的難題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了維管組織特異互補(bǔ)（VSC）策略。通過(guò)同源基因比對(duì)、轉(zhuǎn)錄組分析和GUS報(bào)告系統(tǒng)確定了高粱維管組織特異表達(dá)基因SbNAC31，利用SbNAC31基因的啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)SbXyl在突變體中表達(dá)。表型觀察和測(cè)定結(jié)果表明，VSC轉(zhuǎn)基因株系成功彌補(bǔ)了突變體生長(zhǎng)發(fā)育缺陷，使得水分運(yùn)輸能力和生物量都恢復(fù)到野生型水平。值得一提的是，VSC株系保留了突變體優(yōu)異飼料品質(zhì)的特征：未青貯野生型植株消化率為47.72%，不同VSC株系的消化率為51.27%-54.03%，較野生型提高7.5%-13.2%；青貯后野生型植株消化率為51.08%，不同VSC株系的消化率為54.81%-55.12%，仍表現(xiàn)比野生型高7.3%-7.9%的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，VSC株系的消化率與突變體沒(méi)有顯著差異。該研究解析了高粱木聚糖水解酶基因SbXyl在次生壁沉積和維管組織發(fā)育中的功能，利用維管組織特異互補(bǔ)策略成功對(duì)木聚糖水解酶突變體進(jìn)行了改造利用，為能源作物木質(zhì)纖維素的高效利用奠定了基礎(chǔ)。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的資助。木聚糖水解酶基因突變體表現(xiàn)飼料消化率的提升VSC材料在恢復(fù)突變體生長(zhǎng)發(fā)育的同時(shí)保留了優(yōu)異飼用品質(zhì)

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