過猶不及的甘蔗葉片角度調整

如果要說育種難度高的作物，甘蔗絕對可以排上榜。怎麼說呢？因為甘蔗是高倍多倍體，甜甘蔗是八倍體，有80條染色體，而野生甘蔗則從四倍體到十六倍體，可以擁有高達128條染色體！

甘蔗的收穫。圖片取自維基百科。

多倍體為什麼育種難度高呢？因為同樣一個性狀，如果在二倍體只由一個基因控制，在四倍體就變成兩個，而八倍體就變成四個，而且一個基因在兩個同源染色體上各有一個，所以在二倍體就是兩個、四倍體是四個、八倍體是八個！更何況一個性狀由單一基因控制的例子並不算多，通常都是多個基因一起控制一個性狀，所以多倍體之所以難以育種，就是因為單一性狀牽涉到的基因可能像一串螃蟹那麼多啊！然後再乘以染色體的倍數...

隨著基因工程的進步，就有人想到，為何不用基因編輯（CRISPR）來改良多倍體呢？最近有一個研究，就是使用基因編輯來調整甘蔗的葉片角度，讓甘蔗的產量上升。

為什麼葉片角度會跟產量有關呢？這是因為，植物需要進行光合作用來產生各種產物，而光合作用需要葉片照到光。我們在學植物生理的時候，都會學到光線穿透葉片時會發生所謂的「篩漏效應」（sieve effect）。

篩漏效應。圖片來源：Hopkins 植物生理學

「篩漏效應」指得是，光線穿透葉片並沒有被吸收。為什麼會發生這個現象呢？是因為葉綠素並不是均勻地分布在葉肉細胞（mesophyll）中，而是被關在一個個的葉綠體（chloroplast）裡面。因此，光線就可能「閃」過一個個的葉綠體，從葉片的另一面跑掉。

要怎麼降低「篩漏效應」，當然可以多佈局幾層葉肉細胞，但是合成葉肉細胞也需要能量，所以現實上也不可能佈局很多層；另外還可以調整葉片的角度，讓光線直接穿透葉片的機率降低。

所以，研究團隊就想到用基因編輯來調整甘蔗的葉片角度，讓甘蔗可以更有效率的利用光能。哪個基因與葉片角度有關呢？

研究團隊選擇了LG1（LIGULELESS1 ）基因。過去的研究發現，LG1 基因在禾本科植物的葉舌和葉耳發育中有重要的作用。葉舌和葉耳是葉片與葉鞘連接處的結構，它們的形態和大小可能影響葉片的傾斜角度。另外在小麥中，LG1 的同源基因 TaSPL8 被發現可以調節生長素（auxin）信息傳導和油菜素內酯（BL）生物合成，這些激素與甘蔗的節間伸長和分蘗有關。節間的長度和數量會影響甘蔗的整體株型和葉片角度。

於是他們在LG1上面找了三個點，以基因編輯來改變它們，看看會不會影響葉片的角度。在他們得到的品系中，有部分的葉片角度的確有改變。深入檢視以後發現，這些品系基因被編輯的程度介於7.4% 到 100.0% 之間。

接著他們選擇了四個品系 (L13、L26、L35 和 L44) 進行性狀分析。他們發現，葉傾角 （LIA） 和編輯頻率呈高度負相關 (r = 0.90, P < 0.05)。葉傾角愈小，葉片愈直立，光穿透量就越大。光穿透量增加，有利於更多分蘗的生長，從而增加生物量累積。

所有四個品系都顯示出 LIA 的顯著降低，其中 L44 的變化最為明顯。與野生種相比，L35 和 L44 的平均株高顯著增加，其中 L35 的地上部分乾重也顯著增加。

在田間試驗中，L44 的 LIA 降低幅度最大，冠層內的透光率也增加了一倍多。但是有趣的事情是，當他們收穫這些甘蔗時卻發現，L44 （編輯頻率約為 95%）的乾重與野生型無顯著差異，但總可溶性固形物含量顯著增加；而LIA沒那麼大的L35（編輯頻率為12%） 的乾重與野生種相比卻增加了 18%。L26 的乾重和總可溶性固形物含量均呈增加趨勢。

為什麼L44的產量不是最高的？研究團隊認為，可能是因為過於直立的葉片導致分蘗數增加，但單個莖稈的直徑減小，抵消了分蘗數增加所帶來的生物量增加。

所以，雖然葉傾角與產量之間存在著相關性，但最佳的葉傾角可能是一個適中的值，而非極端直立的葉片。適度的葉傾角減小可以在增加光穿透的同時，保持足夠的莖稈粗度，從而實現產量的最大化。

參考文獻：

Brant, E.J., Eid, A., Kannan, B., Baloglu, M.C. and Altpeter, F. (2024) The extent of multiallelic, co-editing of LIGULELESS1 in highly polyploid sugarcane tunes leaf inclination angle and enables selection of the ideotype for biomass yield. Plant Biotechnol. J., https://doi.org/10.1111/pbi.14380.