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最新观点| Nature Plants:中国农业大学解析现代玉米育种过程中根系结构变化规律及其遗传和分子机制

作者:高悦欣、董振营

玉米生产对保障全球粮食安全至关重要,育种家通过优化穗位高、叶夹角、雄穗分枝数等性状选择能够耐受高密度种植的玉米新品种,从而提高单位面积产量。植物在高密度种植下容易引起个体间对土壤营养和水分的竞争,因此通过遗传方法改良根系结构(RSA)有利于玉米增产。目前在拟南芥和水稻已有较多根系发育分子机制研究,但是对玉米根系特别是根系角度和根系深度遗传和分子机制研究较少。

在此背景下,2022年11月17日,中国农业大学张福锁院士团队在Nature Plants 线表了以潘清春副教授、袁力行教授和陈范骏教授为共同通讯作者、博士后任伟为第一作者、题为“Genome-wide dissection of changes in maize root system architecture during modern breeding”的研究论文。该研究团队首先对由380份玉米自交系构成的关联分析(GWAS)群体进行8个根系性状的表型鉴定,通过对比分析我国不同育种年代自交系,发现玉米的根系结构随育种进程逐渐变得更加陡峭(图1),推测这种根系结构可能有利于玉米对营养和水分的吸收,从而促进对密植的适应性。

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进一步利用125万个SNP组成的基因型数据,采用GWAS方法研究根系结构变异的遗传基础,共鉴定出371个显著关联SNP,包含795个候选基因。结合转录组数据从中鉴定出81个高可信候选基因,包含多个已知根系发育调控基因(图2a)。

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图1.  中国玉米育种过程中根系结构表型变化

作者通过比较分析1960-1979年、1980-1999年及2000年以后育成的玉米自交系间基因组受选择区域,鉴定出3793个受选择基因,其中包括136个GWAS鉴定根系相关基因(图2b),表明根系相关基因在育种进程中收到了明显选择。

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图2. 根系性状GWAS曼哈顿图和育种过程中玉米基因组选择位点分析

分析不同育种年代自交系所携带优异等位变异情况,发现新育成自交系携带较多与根系角度和宽度相关的优异等位变异,并在杂交种发现相同规律(图3)。进一步对携带两个根系发育相关基因ZmRSA3.1和ZmRSA3.2不同等位变异的推广品种进行分析,发现两个位点同时携带优异等位变异的郑单958和先玉335比较早育成的农大108和掖单13根系更加陡峭、产量更高,进一步说明这些根系相关位点优异等位变异在玉米育种史上发挥了重要作用(图3)。

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图3. 根系性状相关基因优异等位变异在玉米育种过程中的作用

作者进一步利用转基因方法对ZmRSA3.1和ZmRSA3.2基因进行了功能验证,发现过表达ZmRSA3.1和ZmRSA3.2可以显著降低玉米根系角度。在玉米自然群体中,ZmRSA3.1第二外显子24 bp插入和ZmRSA3.2基因3′ UTR大片段缺失与玉米根系角度和深度紧密相关(图4)。生理生化分析表明发现ZmRSA3.1和ZmRSA3.2过表达导致体内IAA浓度显著升高,蛋白互作实验则发现ZmRSA3.1和ZmRSA3.2分别与多个生长素通路相关元件互作,表明ZmRSA3.1和ZmRSA3.2通过生长素途径调控根系角度(图4)。

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图4. ZmRSA3.1 和ZmRSA3.2 功能验证

综上,该研究系统分析了我国玉米育种进程中根系结构的演变特征,鉴定出此过程中基因组受选择位点,利用GWAS方法鉴定出根系结构候选基因,并分析了相关位点优异等位变异利用规律,该研究对根系性状相关基因的全基因组鉴定和培育适合高密度种植的玉米提供了新的策略和遗传资源。

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36396706/

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