近日，中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所玉米優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團隊聯(lián)合華南農(nóng)業(yè)大學、中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術研究所等單位研究揭示了玉米父、母本雜種優(yōu)勢群趨同與趨異選擇的遺傳規(guī)律，解析了玉米基因組分化特征及其對雜種優(yōu)勢的貢獻，通過總結(jié)過去，將玉米育種實踐經(jīng)驗理論化，為新時期玉米自交系創(chuàng)制和雜種優(yōu)勢利用提供理論指導。7月18日，相關研究成果在《自然-植物（Nature Plants）》在線發(fā)表。

 

　　據(jù)王天宇研究員介紹，玉米雜交種（單交種）與其父母本相比，具有很強的雜種優(yōu)勢。玉米單交種自從20世紀60年代開始在生產(chǎn)上大面積推廣，迄今其利用率已達到近100%。玉米單交種是由分別來自母本雜種優(yōu)勢群和父本雜種優(yōu)勢群的自交系雜交組配而成，而雜優(yōu)模式是指特定的母本群和父本群中個體雜交后具有強雜種優(yōu)勢的配組方式。國內(nèi)外半個多世紀的育種史表明，玉米單產(chǎn)水平的提升主要取決于父、母本雜種優(yōu)勢群的持續(xù)改良和雜優(yōu)模式的優(yōu)化。然而，現(xiàn)代育種過程中父、母本雜種優(yōu)勢群的遺傳改良規(guī)律及其基因組學基礎尚不清楚。

 

　　該研究收集整理了1604份國內(nèi)外不同育種時期、不同雜種優(yōu)勢群的代表性玉米自交系，覆蓋了全球主要玉米主產(chǎn)區(qū)育種應用的父本群和母本群，并針對21個農(nóng)藝性狀開展了多環(huán)境、多角度的表型精準鑒定和基于重測序的基因型精準鑒定。通過對超過305萬個表型數(shù)據(jù)點和2.2億個遺傳變異位點的分析，發(fā)現(xiàn)父本群和母本群的農(nóng)藝性狀改良既存在趨同選擇也存在趨異選擇。趨同選擇性狀多與耐密高產(chǎn)育種目標相關，表現(xiàn)為父母本群均向花期更早熟、散粉-吐絲間隔期更短、穗位更低、雄穗分枝數(shù)更少、產(chǎn)量更高、行粒數(shù)更多、出籽率更高、籽粒更大、粒重更重方向改良；而趨異選擇性狀可能與母本及其雜交種的熟期和籽粒脫水速率相關，表現(xiàn)為穗粗、穗行數(shù)、軸重性狀在母本群中降低，而在父本群中增加。在此基礎上，挖掘出一批與父、母本雜優(yōu)群性狀趨同和趨異選擇的重要基因和等位基因，且發(fā)現(xiàn)父、母本雜優(yōu)群中有利等位基因積累的多少與趨同和趨異性狀改良呈高度相關。進一步研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代育種過程中父、母本雜優(yōu)群之間一些基因組區(qū)域的遺傳分化不斷增強，并且這些基因組區(qū)段或基因的持續(xù)分化是決定玉米雜種優(yōu)勢的重要遺傳學基礎。此外，進一步驗證了兩個現(xiàn)代育種過程中趨同選擇基因 ZmEMF1L1 和  ZmKW10 和一個分化基因 ZmKOB1 在調(diào)控玉米開花期、籽粒大小和雜種優(yōu)勢方面的作用。本研究為玉米雜交種父、母本雜優(yōu)群的遺傳改良、強優(yōu)勢雜交種的選育及全基因組選擇育種技術的開發(fā)提供了堅實的理論基礎與基因資源。

 

　　作科所李春輝副研究員為第一作者，作科所關紅輝博士、諾禾致源荊鑫、華南農(nóng)業(yè)大學李耀耀博士、中國農(nóng)科院生物技術研究所王寶寶研究員為并列第一作者；作科所王天宇研究員、黎裕研究員，華南農(nóng)大王海洋教授、加州大學戴維斯分校Jeffrey Ross-Ibarra教授、諾禾致源焦成智為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國農(nóng)科院科技創(chuàng)新工程等項目的資助。

 

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-022-01190-2