北卡罗莱纳州立大学的研究人员发现，玉米中有一种叫做HpC1的重要基因，它可以调节某些影响开花时间的化学过程，这种基因起源于“墨西哥大角牛”(teosinte mexicana)，是现代墨西哥高原野生玉米的前身。这些发现为植物进化和性状选择提供了深入的见解，并可能对玉米和其他作物对低温的适应产生影响。
“我们对了解脂质的自然变化如何参与植物的生长和发育，以及这些化合物如何帮助植物适应它们的直接环境很感兴趣，”Rubén Rellán-álvarez说，他是北卡罗来纳州立大学结构和分子生物化学助理教授，也是描述该研究的一篇论文的通信作者。“具体来说，我们想了解更多关于磷脂(由磷和脂肪酸组成)的变化，以及它们在适应寒冷、低磷以及调节植物适应性和产量的重要过程(如开花时间)中的作用。”
生长在高海拔地区的玉米，比如墨西哥高地，需要特殊的环境才能成功生长。与生长在低海拔和高温地区的玉米相比，这些山区较低的温度使玉米处于略微不利的地位。
Rellán-álvarez说:“在高海拔、低温环境下，由于热量单位积累较低，玉米需要更长的生长时间——玉米需要积累热量或生长单位。”“在海拔10,000英尺(2600米)的地方，培育一株玉米所需的时间是较低海拔地区的三倍。为了适应这些特殊条件，小农必须在季节早期种植，并深入土壤;在雨季到来之前的前几个月，增长非常缓慢但稳定。几千年来，农民已经选择了能够在这些特殊条件下茁壮成长的玉米品种，它们能够在低温下生长，并在冬天更冷的月份到来之前尽早开花。”
研究人员说，这就是HpC1基因发挥作用的地方。在低海拔地区种植的玉米品种中，包括在美国种植的大部分玉米，该基因会分解磷脂，而在其他品种中，磷脂已被证明与加速开花时间的重要蛋白质结合。
“磷脂也是细胞膜的重要组成部分。所有的脂质都有不同的形状，平衡这些形状可以让膜保持完整，并帮助植物在压力下生存，”Rellán-álvarez实验室的博士后研究员、该论文的第一作者之一艾莉森·巴恩斯说。
虽然在山区，这种基因没有成功，但对高原玉米有利。
Rellán-álvarez说:“在高原玉米中选择了一个有缺陷的基因版本，这导致了高水平的磷脂。”“我们开发了一个CRISpR-Cas9突变体，并确认了该基因的代谢功能。我们还展示了在其他物种中描述过的调节开花时间的类似磷脂-蛋白质相互作用。”
巴恩斯补充说:“在高原上没有被分解的磷脂可能更有利于保持细胞膜在一起，让植物在不利的环境中生存。”
在这篇论文中，研究人员展示了在墨西哥各地的低地和高地进行的大量实验的结果，在这些地方存在高地版本的基因。他们发现，携带高地基因的玉米比不携带高地基因的玉米早一天开花。与此同时，在低地种植的带有高地基因的玉米比没有这种基因的玉米开花晚一天。
“这有助于植物更好地适应当地环境，”Rellán-álvarez实验室的博士生Fausto Rodríguez-Zapata说，他也是这篇论文的第一作者之一。“如果开花不成功，就不会有种子，所以与开花时间有关的东西也与当地适应有关就不足为奇了。”
这项研究还研究了玉米在西半球数千年农民选择过程中的进化过程。几千年前，在墨西哥西南部，印第安人从一种名为“小大鼠”(teosinte parviglumis)的野生植物驯化了玉米，并非常聪明地将玉米带到了美洲各地，从亚利桑那州的沙漠和perú，到Yucatán和哥伦比亚的潮湿森林，包括墨西哥高地，在那里，玉米与另一种野生大鼠植物——大鼠墨西哥(teosinte mexicana)杂交。
Rellán-álvarez说:“我们的结果表明，玉米和大叶红墨西哥玉米的混合有助于玉米适应高地条件，这种混合与现代玉米有关。”
在这项研究中，研究人员展示了来自墨西哥大刍鼠(即HpC1的高地版本)的基因片段在现代玉米中被保留了下来。
“这种保留——科学家称之为基因渐渗——类似于现代人类在他们的基因密码中保留一些尼安德特人的基因。这些作品之所以被保留下来，是因为它们经过了时间的挑选，并带来了一些优势。”Rodríguez-Zapata说。
该研究还显示了在加拿大、美国北部和北欧种植的玉米中HpC1的高地变异——这是有道理的，因为这些地区的气候更冷。
北卡罗来纳州立大学的研究人员现在正在研究这一基因和其他与磷代谢有关的基因的作用，以了解更可持续的种植玉米的方法，并可能将更多的大刍草引入现代玉米中。
这篇论文发表在《美国国家科学院院刊》上。来自宾夕法尼亚州立大学、加州大学戴维斯分校、爱荷华州立大学、康奈尔大学和冷泉港的研究人员共同撰写了这篇论文。这项工作得到了CONACYT (México)、国家科学基金会和北卡罗莱纳州启动基金的支持。
文章标题An adaptive teosinte mexicana introgression modulates phosphatidylcholine levels and is associated with maize flowering time