“育種指紋”揭示玉米育種的遺傳改良規(guī)律

　　中國農業(yè)科學院生物技術研究所與華南農業(yè)大學等單位合作闡析現代育種過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設計育種提供了理論基礎。相關研究成果于4月27日在線發(fā)表在國際頂尖學術期刊 《自然-遺傳學》（Nature Genetics）上。

 

　　玉米是目前世界第一大農作物，廣泛作為糧食、飼料和工業(yè)原材料。在過去幾十年間，經過不斷耐密性品種改良與種植密度提升，支撐玉米單產成倍增長。但玉米現代育種過程中品種耐密性改良的遺傳基礎和選擇規(guī)律尚未系統(tǒng)解析。王海洋團隊與華南農業(yè)大學等多家單位合作，收集了近幾十年來國內外不同育種時期廣泛使用的350份玉米育種材料，經過多環(huán)境表型分析，發(fā)現現代玉米育種過程中，育種材料均經歷了向更低穗位、更少雄穗分枝數、更緊湊葉夾角及更早開花期方向的趨同選擇；進一步采用全基因組重測序，結合全基因組關聯分析 （GWAS），挖掘出233個與15個農藝性狀有顯著關聯的基因位點；鑒定到1,888個受育種選擇的基因組區(qū)域（育種指紋），涉及近5000個功能基因；基因富集分析發(fā)現，現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轉導、光信號轉導及開花期調控通路相關的基因。最后，研究者利用CRISPR/Cas9 技術創(chuàng)制功能缺失突變體，證明2個在現代玉米育種過程中受到選擇的基因ZmPIF3.3 和TSH4，分別在調控玉米株高（穗位高）和雄穗分枝數方面發(fā)揮重要作用。

 

　　本研究明確了穗位、雄穗分枝數、葉夾角和開花期對于提高玉米耐密性的關鍵作用，為耐密玉米品種遺傳改良提供了方向性指引；闡明現代玉米育種過程全基因組選擇與遺傳改良規(guī)律，挖掘出一大批調控耐密株型和抗逆性關鍵候選基因，為玉米耐密抗逆全基因組設計育種提供了理論基礎和基因資源。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。

 

　　該研究以中國農業(yè)科學院生物技術研究所為第一完成單位，生物技術研究所王寶寶博士、北京大學現代農學院博士研究生林澤川和生物技術研究所博士研究生李鑫為共同第一作者，通訊作者為華南農業(yè)大學生命科學學院王海洋教授和北京大學現代農學院何航副研究員。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎研究和應用研究重大計劃、國家轉基因重大專項、國家自然科學基金、中國農業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程資助。

 

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