从左至右依次为ScGAI基因沉默、正常生长及ScGAI基因过度表达的甘蔗。图片来源：IB-UNICAMP
尽管国际育种工作、先进的农艺和有效的病虫害管理都在进行着，但几十年来甘蔗产量却几乎一直是静止不前的，这是由于茎秆的发展被限制了。茎秆的储糖能力在物理上是有限的，也就约束了蔗糖和生物质的大量涌现。
“通过传统杂交育种来突破这一发展的门槛是很难的。”巴西坎皮纳斯大学生物研究所（IB-UnPAMP）遗传进化与生物制剂系教授Marcelo Menossi说道。最近，他与巴西国家生物乙醇科技实验室（CTBE）、澳大利亚食糖研究以及德国马丁·路德大学（MLU）的同行一起，发现了克服这种束缚关系的关键。
那就是，甘蔗产量的秘密可能存在于一个被称为ScGAI的基因中。它是甘蔗茎秆发育的重要调节器。研究人员在《实验植物学》杂志上报道了这一发现。
他们通过操作在澳大利亚开发的转基因甘蔗中该基因的活性，成功地大幅增加了茎秆体积，并改变了其结构和存储分子的碳分配。“改变ScGAI基因表达的甘蔗品种长得快多了。”Menossi说，这意味着应该可以培育出能更快生长的甘蔗，每单位时间具有更高的生物质产量。
在这项研究中，ScGAI被发现介导了甘蔗种植者所使用的发育激素的调节，如乙烯和赤霉素。其中赤霉素广泛地用于提高许多作物的产量，它通过触发DELLA蛋白的快速分解来加速甘蔗成熟，由此阻止了与刺激茎秆发育的其他蛋白的相互作用和分解。
而在成熟阶段，乙烯经常应用到甘蔗种植园里。此时，蔗农希望植物继续积累蔗糖，而不是生长更多的叶子。跟赤霉素不同，乙烯稳定了DELLAs，还让它和其他生长促进蛋白进行了互相作用。
为了更好地了解DELLAs是如何调节甘蔗生长的，特别是在茎秆发育方面，研究人员进行了一项实验。在这项实验中，他们改变了澳大利亚一个甘蔗品种中的ScGAI表达。
在某些程度上，对于减少DELLAs产量，ScGAI基因“沉默以对”，还阻止了它们分解其他有助于植物生长的蛋白质。另外，研究人员采取措施确保该基因在增加DELLAs产量、稳定它们的目标上过度表达，这样它们会继续分解生长促进蛋白。
4个月后进行的比较分析中，ScGAI基因过度表达的转基因甘蔗显示出生长发育迟缓、节间较短、能量代谢受损的特点。相反，ScGAI基因沉默的植物长得更高，节间快速伸长，植物酶产量增加，更多的碳分配到茎上。
“这项研究清楚地表明，ScGAI基因是甘蔗发育的一个基本组成部分，它可以成为基因操作的目标，以调节DELLA蛋白来干预植物生长的速度。”一位研究人员说。
研究人员已经申请了通过他们发明的方法来控制ScGAI基因的专利，从而使甘蔗生长得更快。“下一步是田间试验，看看是否能够产生和温室培育转基因甘蔗一样的效果。”Menossi说道。（王方编译）
