中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位合作闡析現(xiàn)代育種過(guò)程玉米基因組選擇與遺傳改良規(guī)律，為加速玉米遺傳改良與精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種提供了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于4月27日在線發(fā)表在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 《自然-遺傳學(xué)》（Nature Genetics）上。

 

　　玉米是目前世界第一大農(nóng)作物，廣泛作為糧食、飼料和工業(yè)原材料。在過(guò)去幾十年間，經(jīng)過(guò)不斷耐密性品種改良與種植密度提升，支撐玉米單產(chǎn)成倍增長(zhǎng)。但玉米現(xiàn)代育種過(guò)程中品種耐密性改良的遺傳基礎(chǔ)和選擇規(guī)律尚未系統(tǒng)解析。王海洋團(tuán)隊(duì)與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等多家單位合作，收集了近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外不同育種時(shí)期廣泛使用的350份玉米育種材料，經(jīng)過(guò)多環(huán)境表型分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代玉米育種過(guò)程中，育種材料均經(jīng)歷了向更低穗位、更少雄穗分枝數(shù)、更緊湊葉夾角及更早開(kāi)花期方向的趨同選擇；進(jìn)一步采用全基因組重測(cè)序，結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析 （GWAS），挖掘出233個(gè)與15個(gè)農(nóng)藝性狀有顯著關(guān)聯(lián)的基因位點(diǎn)；鑒定到1,888個(gè)受育種選擇的基因組區(qū)域（育種指紋），涉及近5000個(gè)功能基因；基因富集分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代玉米育種主要選擇與生物脅迫抗性、非生物脅迫抗性、植物激素代謝及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及開(kāi)花期調(diào)控通路相關(guān)的基因。最后，研究者利用CRISPR/Cas9 技術(shù)創(chuàng)制功能缺失突變體，證明2個(gè)在現(xiàn)代玉米育種過(guò)程中受到選擇的基因ZmPIF3.3 和TSH4，分別在調(diào)控玉米株高（穗位高）和雄穗分枝數(shù)方面發(fā)揮重要作用。

 

　　本研究明確了穗位、雄穗分枝數(shù)、葉夾角和開(kāi)花期對(duì)于提高玉米耐密性的關(guān)鍵作用，為耐密玉米品種遺傳改良提供了方向性指引；闡明現(xiàn)代玉米育種過(guò)程全基因組選擇與遺傳改良規(guī)律，挖掘出一大批調(diào)控耐密株型和抗逆性關(guān)鍵候選基因，為玉米耐密抗逆全基因組設(shè)計(jì)育種提供了理論基礎(chǔ)和基因資源。本研究成果也可為其他作物（如水稻、小麥等）遺傳育種規(guī)律的解析和優(yōu)良基因挖掘提供有益借鑒。

 

　　該研究以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所為第一完成單位，生物技術(shù)研究所王寶寶博士、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士研究生林澤川和生物技術(shù)研究所博士研究生李鑫為共同第一作者，通訊作者為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王海洋教授和北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院何航副研究員。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究重大計(jì)劃、國(guó)家轉(zhuǎn)基因重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程資助。

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41588-020-0616-3