中國農(nóng)大農(nóng)學(xué)院董朝斌教授團隊合作解析玉米馴化新基因tsh4調(diào)控株型穗型發(fā)育機制

　　中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 10月16日，Nature Genetics雜志在線發(fā)表了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)董朝斌課題組與合作者的研究論文A regulatory network controlling developmental boundaries and meristem fates contributed to maize domestication, 該研究鑒定了玉米新的馴化關(guān)鍵基因 tsh4 ，并揭示了 tsh4 位于目前已知玉米株型穗型馴化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)最上游，闡明了馴化過程兼顧不同發(fā)育時期、不同性狀的分子調(diào)控機理。該研究為進一步開展玉米株型和穗型的遺傳改良提供重要理論指導(dǎo)。

 

　　現(xiàn)代玉米大約于8000至10000年前由大芻草馴化而來，馴化過程中經(jīng)歷了株型和穗型的巨大演變。株型和穗型雖主要對應(yīng)營養(yǎng)器官和生殖器官，然而從分生組織發(fā)生和組織形態(tài)建成的角度看，兩者必然存在緊密的相關(guān)性和共有的遺傳基礎(chǔ)。tb1、tga1、tru1、gt1 等是玉米已知的馴化關(guān)鍵基因，但目前僅對其介導(dǎo)玉米馴化過程中具體單一性狀進行了部分解答，而關(guān)于玉米株型和穗型在馴化中如何協(xié)同調(diào)控的遺傳機制仍不清楚。

 

　　該研究首先利用大芻草和玉米組配的 RILs 和 TeonAM 群體 （Chen et al., 2019） 進行QTL-mapping，發(fā)現(xiàn)一個控制分蘗數(shù)、雌穗穗型、雄穗分枝數(shù)、粒重等一系列馴化表型的QTL都共定位于 tsh4 位點，表明 tsh4 在營養(yǎng)生長和花序發(fā)育兩階段性狀的馴化過程中均發(fā)揮關(guān)鍵作用而受到了選擇。

 

　　進一步研究發(fā)現(xiàn)， TSH4 與同樣作為 SBP 家族轉(zhuǎn)錄因子的同源蛋白 UB2/UB3 存在部分功能冗余。在 tsh4/ub2/ub3三突變體中發(fā)現(xiàn)分蘗增多，性別決定存在缺陷，雌穗上雄花占比變大，特別是成對小穗變成了葉片和單個小穗 等一系列與野生祖先大芻草相似的表型。在野生型中，邊界建成 marker 蛋白 RA2 在分生組織中特異表達，從而標(biāo)記分生組織與側(cè)生葉原基的邊界；但在 tsh4 相關(guān)突變體中，RA2 表現(xiàn)為側(cè)生葉原基異位表達。上述結(jié)果表明 TSH4 的基礎(chǔ)功能是維持分生組織與側(cè)生葉原基的邊界建成，繼而調(diào)控玉米株型穗型發(fā)育。

 

　　為了進一步解析 TSH4 調(diào)控系列馴化過程的分子機制，團隊進行了高質(zhì)量的 ChIP-seq、普通轉(zhuǎn)錄組測序與顯微切割轉(zhuǎn)錄組測序，繪制了 TSH4 轉(zhuǎn)錄因子的全基因組調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。分析發(fā)現(xiàn)，生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中顯著富集， TSH4能夠結(jié)合在多個生長素信號抑制因子 AUX/IAA 基因調(diào)控區(qū)，激活其表達從而抑制生長素信號通路。對野生型和 tsh4/ub2/ub3 突變體的體內(nèi)生長素信號及分布的可視化觀察也表明 tsh4/ub2/ub3 功能喪失導(dǎo)致原本在苞葉中受到抑制的生長素信號被解除，從而觸發(fā)了生殖生長階段葉片的非正常發(fā)育。

 

　　microRNA （miRNA） 是廣泛存在于真核生物中的一類內(nèi)源非編碼小 RNA，通過對靶基因 mRNA 的切割或翻譯抑制實現(xiàn)對靶基因的調(diào)控，廣泛參與生物體生長發(fā)育和脅迫抗性等幾乎所有生命過程。鑒于其關(guān)鍵作用，miRNA 的發(fā)現(xiàn)及其在轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控中的作用獲得了本年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。miRNA 與轉(zhuǎn)錄因子關(guān)系密切，轉(zhuǎn)錄因子較一般基因更有可能成為 miRNA 調(diào)控的靶標(biāo)，本研究中涉及的 SBP 轉(zhuǎn)錄因子家族多個成員的 mRNA 便可被 miRNA156/miRNA529 直接結(jié)合和切割 （Chuck et al.,2007）。目前在廣泛物種中已有大量工作探究了 miRNA 調(diào)控下游靶轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控機制，然而轉(zhuǎn)錄因子對 miRNA 的反饋調(diào)控途徑卻鮮有報道。本研究發(fā)現(xiàn)，TSH4 能夠直接結(jié)合全基因組約 1/4 的 miRNA 位點，其中包括 TSH4 自身負調(diào)控因子 miRNA156 和 miRNA529 的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)，抑制兩 miRNA 的表達 ?；谝陨蠑?shù)據(jù)， tsh4 和 miRNA156/miRNA529 彼此之間的負反饋調(diào)控關(guān)系，以及生長素信號調(diào)控機制，初步回答了玉米花序發(fā)育過程中分生組織和側(cè)生葉片之間的邊界是如何建立的科學(xué)問題。

 

　　先前的研究表明，玉米馴化過程主要是以分蘗抑制基因tb1 以及 tga1、tru1、gt1 等一系列下游靶基因為主的馴化調(diào)控網(wǎng)絡(luò) （Dong et al., 2019）。而作物馴化是一個十分漫長且復(fù)雜的過程，其中 tb1 作為玉米馴化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵樞紐基因，其上游是否存在更高級別的馴化基因，目前還未有報道。本研究發(fā)現(xiàn)，與上述馴化性狀相吻合， tsh4 位點在馴化過程中受到強烈選擇，玉米中序列多態(tài)性相較其祖先種顯著降低，馴化的結(jié)果表現(xiàn)為栽培種中 TSH4 表達豐度更高。尤其值得關(guān)注的是，TSH4 蛋白能夠直接調(diào)控 tb1、tru1、tga1 等一系列經(jīng)典的馴化基因 ，共同驅(qū)動這些馴化基因的上調(diào)表達。上述研究結(jié)果確定了 tsh4 在 馴化調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的核心作用，深化了玉米馴化過程的分子調(diào)控機制。

 

　　中國農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米生物育種全國重點實驗室、國家玉米改良中心、農(nóng)學(xué)院 董朝斌 教授為該論文第一及共同通訊作者。美國加州大學(xué)伯克利分校 George Chuck 研究員為共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生 胡高遠、美國北卡州立大學(xué) 陳秋月 博士、美國加州大學(xué)伯克利分校 Elena Shemyakina 博士參與了本研究。美國加州大學(xué)伯克利分校 Jennifer Fletcher 教授和楊百翰大學(xué) Clinton Whipple 教授提供了重要幫助和指導(dǎo)。金危危 教授在該研究的實驗設(shè)計和分析上提供了重要指導(dǎo)。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃 （2023YFF1000400）、國家自然科學(xué)基金委（32372144）、拼多多中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究基金（PC2023B02017）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（2023RC057） 等項目的資助。

 

 

　　董朝斌教授長期從事玉米株型穗型發(fā)育生物學(xué)和功能基因組學(xué)研究，團隊圍繞玉米發(fā)育生物學(xué)系列基礎(chǔ)科學(xué)問題，探索營養(yǎng)組織和花序組織中側(cè)枝發(fā)育的協(xié)調(diào)機制，研究組織發(fā)育的環(huán)境適應(yīng)性，揭示發(fā)育可塑性響應(yīng)環(huán)境的調(diào)控機理，為高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)玉米性狀改良提供理論基礎(chǔ)，綜合利用野生種質(zhì)資源、基因編輯及合成生物學(xué)等策略，探索玉米精準(zhǔn)分子設(shè)計育種的技術(shù)應(yīng)用。近五年來以通訊作者或第一作者 （含共同） 在Nature Genetics、Molecular Plant、PNAS、Nature Communications、Genome Biology等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表十余篇，入選國家級青年人才計劃。