随着全球气温上升和传粉昆虫数量减少，粮食生产对世界上的种植者来说变得越来越困难。
马里兰大学细胞生物学和分子遗传学系的研究人员的一项新研究解决了这个问题，为开花植物如何发育果实和种子提供了确切的见解。
“了解这一过程尤其重要，因为常见的粮食作物——如花生、玉米、水稻和草莓——都是从花朵中提取的水果和种子，”该研究的资深作者、UMD的细胞生物学和分子遗传学教授Zhongchi Liu说。“知道植物是如何‘决定’将部分花朵变成果实和种子的，对农业和我们的食物供应至关重要。”
在这项研究中，刘和她的团队旨在发现受精或授粉是如何触发开花植物开始果实发育过程的。研究小组怀疑，一个内部通信系统负责向植物发出果实发育的信号，但研究人员不确定该系统是如何通过受精或授粉激活的。
为了找到答案，研究小组用草莓植物模拟了授粉和果实发育机制。刘先生说，草莓由于其独特的结构和种子位置，特别适合施肥建模。
“作为一种‘由内而外’的水果，草莓的种子比西红柿等其他水果的种子更容易操作和观察，”刘解释说。“这让我们更容易查看种子，并从它们的多个发育阶段提取遗传信息。”
Liu和她的团队确定了AGL62基因，这是一种在所有开花植物中普遍存在的基因，是植物产生果实和种子的诱因。
根据刘的说法，AGL62会刺激一种重要的植物生长激素——生长素的产生。一旦该基因被激活，生长素就会被合成，从而产生种皮(种子的外层保护层)、胚乳(种子中为发育中的植物胚胎提供食物的部分)和果实。生长素在调节胚乳生长中的作用尤其重要，因为它影响籽粒的大小和果实的膨大。
“生长素水平可以限制胚乳的生长大小，以及胚乳能为植物胚胎积累多少营养，”刘说。“生长素越多，果实越大，颗粒越大。当生长素减少时，胚乳就无法正常喂养植物胚胎，我们最终会导致作物产量下降——更小或变形的果实在商业上不可行。”
利用CRISpR这一新的基因操作技术，第一作者郭磊成功地破坏了AGL62的功能。结果，草莓植株无法长出果实和种子，说明AGL62在这一过程中发挥了关键作用。
在自然界中，授粉促使AGL62基因触发生长素的产生，这是最佳果实和种子发育的必要过程。但是，通过确定基因和激素之间的这种关系，Liu和她的团队已经奠定了一个基础，使农学家可以使用生物技术打开AGL62，完全绕开授粉——换句话说，创造出“处女果”。
在全球变暖影响全球粮食生产的时代，这些发现尤其重要。
“极端高温既会杀死传粉者，也会杀死花粉本身，所以气候变化是我们需要克服的一个巨大挑战，对AGL62基因的更多了解让我们对如何潜在地提高农业作物的产量有了新的认识，尤其是那些构成我们食物供应的作物。”
文章标题Mechanization of fertilization-induced auxin synthesis in the endosperm for seed and fruit development