南湖新聞網(wǎng)訊（通訊員 王席 ）玉米重要農(nóng)藝性狀的遺傳解析對(duì)作物性狀的遺傳改良和全球的糧食安全非常重要。玉米雄穗分枝數(shù)是現(xiàn)代玉米育種過程中重要的選擇目標(biāo)，由眾多微效的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）控制。到目前為止，仍然缺乏快速批量克隆數(shù)量性狀位點(diǎn)的方法，這嚴(yán)重限制了玉米雄穗分枝數(shù)性狀的系統(tǒng)解析，一定程度上阻礙了現(xiàn)代玉米分子育種的發(fā)展。

 

　　8月26日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院李林教授課題組在Nature Communications在線發(fā)表了題為“QTG-Miner aids rapid dissection of the genetic base of tassel branch number in maize” 的研究論文，開發(fā)了一種快速批量克隆作物數(shù)量性狀位點(diǎn)的新方法QTG-Miner，定位并克隆了7個(gè)玉米雄穗分枝數(shù)功能基因，構(gòu)建了玉米雄穗分枝數(shù)的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并揭示了現(xiàn)代玉米遺傳改良過程中雄穗分枝數(shù)性狀的馴化選擇情況。

 

　　QTG-Miner方法的流程包括QTL的初定位、單個(gè)QTL位點(diǎn)分離材料的篩選和測(cè)序及利用QTG-Miner進(jìn)行候選基因的挖掘三個(gè)步驟（圖1）。

 

　　利用QTG-Miner方法，作者實(shí)現(xiàn)了快速批量克隆玉米雄穗分枝數(shù)QTL位點(diǎn)，克隆了7個(gè)雄穗分枝數(shù)QTL位點(diǎn)的功能基因。利用EMS突變體對(duì)上述基因進(jìn)行了表型驗(yàn)證。同時(shí)作者也對(duì)其中的兩個(gè)基因（ZmKinesin和Zmhd-zip120）進(jìn)行了基因敲除實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了候選基因的真實(shí)性（圖2）。

 

　　進(jìn)一步，作者構(gòu)建了玉米雄穗分枝數(shù)的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，GO富集分析發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的基因顯著富集在多個(gè)生物學(xué)途徑中。新的雄穗分枝數(shù)分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)為從全局層面理解雄穗分枝數(shù)性狀的發(fā)育機(jī)理提供了思路，也為新基因的挖掘提供了方向（圖3）。

 

　　作者也探究了現(xiàn)代玉米育種過程中雄穗分枝數(shù)基因的選擇歷程。以lrs1基因?yàn)槔?，該基因在現(xiàn)代玉米改良的過程中受到了強(qiáng)烈的選擇，序列多態(tài)性顯著降低，優(yōu)良等位基因型在玉米中的占比顯著增加，也使得現(xiàn)代育種自交系的雄穗分枝數(shù)持續(xù)減少。

 

　　該研究開發(fā)了一種快速批量克隆作物數(shù)量性狀位點(diǎn)的新方法QTG-Miner，為系統(tǒng)解析作物重要農(nóng)藝性狀的遺傳基礎(chǔ)提供了方法和思路。該方法同樣適用于玉米以及其他物種的多個(gè)農(nóng)藝性狀，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士研究生王席與李娟為論文的共同第一作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李林教授為通訊作者。感謝齊魯師范學(xué)院路小鐸教授和中國農(nóng)科院李慧慧研究員對(duì)于本課題提供的幫助和建議，感謝仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院齊永文教授在原始數(shù)據(jù)收集上的幫助，感謝中國農(nóng)科院張春義研究員和齊魯師范學(xué)院路小鐸教授構(gòu)建的玉米EMS誘變突變體庫。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、海南省崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室重大項(xiàng)目、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科技自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目的資助。

 

　　李林課題組聚焦于玉蜀黍系統(tǒng)生物學(xué)研究，利用生物大數(shù)據(jù)與人工智能算法，系統(tǒng)解析了玉米密植高產(chǎn)的株型遺傳基礎(chǔ)，開發(fā)了作物精準(zhǔn)智能設(shè)計(jì)育種體系CropGPT，服務(wù)于我國農(nóng)作物生物種業(yè)。自2016年回國組建獨(dú)立課題組以來，以通訊作者在Nature Genetics, Nature Biotechnology, Genome Biology, Molecular Plant （4篇），Nature Communications等國際主流期刊上發(fā)表論文近30篇。目前，正在從事玉米數(shù)字植物、作物泛功能基因組、超大群體雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)制解析與精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種、多年生分子機(jī)制解析與分子育種等非常有前景的研究項(xiàng)目，歡迎廣大博士應(yīng)聘該課題組博士后職位。

 

　　【英文摘要】

 

　　Genetic dissection of agronomic traits is important for crop improvement and global food security. Phenotypic variation of tassel branch number （TBN）， a major breeding target, is controlled by many quantitative trait loci （QTLs）。 The lack of large-scale QTL cloning methodology constrains the systematic dissection of TBN, which hinders modern maize breeding. Here, we devise QTG-Miner, a multi-omics data-based technique for large-scale and rapid cloning of quantitative trait genes （QTGs） in maize. Using QTG-Miner, we clone and verify seven genes underlying seven TBN QTLs. Compared to conventional methods, QTG-Miner performs well for both major- and minor-effect TBN QTLs. Selection analysis indicates that a substantial number of genes and network modules have been subjected to selection during maize improvement. Selection signatures are significantly enriched in multiple biological pathways between female heterotic groups and male heterotic groups. In summary, QTG-Miner provides a large-scale approach for rapid cloning of QTGs in crops and dissects the genetic base of TBN for further maize breeding.

 

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41022-1

 

　　審核：李林