作者：王成、李焕改
2023年1月5日，北京科技大学生物与农业研究中心万向元教授团队在国际性学术期刊The International Journal of Molecular Sciences (IJMS，IF：6.208）上发表了题为“A Systemic Investigation of Genetic Architecture and Gene Resources Controlling Kernel Size-related Traits in Maize” 的研究论文。本研究总结了玉米籽粒大小相关性状的QTLs和QTNs，并对其进行整合分析，获得控制籽粒大小性状的热点区间，并对其进行候选基因的预测和分析，为高产优质玉米的开发提供了重要的基因资源。
产量是玉米最重要和最复杂的数量性状之一，受到多种因素的影响，包括遗传、环境和种植过程给予的营养条件等。玉米籽粒大小相关性状与玉米产量紧密相连，是玉米产量的关键决定因素。因此，探究籽粒发育调控机制、挖掘控制籽粒大小关键基因，寻找提高作物产量的方式方法具有重要的意义和价值。目前，利用QTL定位和GWAS分析，获得了大量的与籽粒大小性状相关的QTL和QTN位点，但由于遗传背景、检测方法、环境条件等的不同，严重制约着这些遗传位点的开发及利用，只有少数位点被研究并鉴定出目的基因。
本研究首先对玉米籽粒大小相关研究进行了文献计量分析，发现该领域一直处于研究热点，尤其是近二十年发文量逐年递增，预测玉米籽粒大小相关性状的遗传结构和分子改良在将来仍是学者们持续关注的焦点。
通过文献检索作者收集到132个基因参与玉米籽粒发育，并对这些基因进行了表达模式和GO富集分析。根据已报道的RNA-seq数据，对已克隆基因进行表达模式分析。结果发现除2个基因无表达数据之外，其他所有基因均在籽粒中有表达，暗示它们在籽粒发育过程中发挥着重要的作用。研究还发现，这些基因在籽粒中的表达量普遍较高，仅有少数基因的FPKM值<50（图1A)。为更好地解析玉米籽粒大小调控基因的表达模式，以组织最大表达量和籽粒最大表达量的比值（MaxExp/MaxExpKernel）进行进一步分析，结果表明比值≤3的基因占比87%，进一步表明多数基因在籽粒中高效表达（图1B)。因此，当以MaxExp/MaxExpKernel≤3 和MaxExpkernel的FPKM值≥50的并集作为筛选条件时，可覆盖123个已克隆基因（图1C）。同时，作者对已克隆基因进行了GO富集分析，结果表明分子功能类别GO术语显著富集在 “RNA结合”、“核酸内切酶活性”、“氧化还原酶活性”等。生物学过程GO术语显著富集在“RNA加工”、“种子发育”、“激素代谢过程”等（图1D)。对玉米籽粒大小已知调控基因的分析，将有利于未知遗传位点候选基因的预测。
图1 玉米籽粒大小性状已克隆基因表达模式和GO富集分析
近几年，随着分子生物学、生物信息学的蓬勃发展，QTL定位和GWAS分析逐渐成为研究数量性状的主要方法，通过文献检索收集到2006-2022/12期间发表的59篇与玉米籽粒大小相关的研究论文。以四个常用的籽粒大小相关性状（粒长、粒宽、粒厚、百粒重）为筛选目标，共获得1456个QTL位点，但只有1082个QTLs成功映射到 B73_v4物理图谱上，其中227个QTLs与粒长相关，281个与粒宽相关，206个与粒厚相关，368个与百粒重相关，且这些QTLs在玉米染色体上呈现不均匀分布（图2A和图2B）。之后对其进行QTL簇分析，通过整合，共获得187个QTL簇，每个QTL簇含有3个及以上的原始QTL位点（图2C）。值得注意的是，97个QTL簇包含已知的籽粒大小相关基因，这表明本文整合分析到的QTL簇是高度可信的。与此同时，还有部分QTL簇未鉴定到已知基因，暗示其可能含有其他参与调控玉米籽粒大小的新基因。
图2 玉米籽粒大小相关性状QTL簇分析
随后，收集并成功将2515个籽粒大小相关性状QTN位点映射到B73_v4物理图谱上，这些QTN位点同样在玉米染色体上呈现不均与分布（图 3A和图 3B）。通过QTN簇分析，共获得84个QTN簇，每个簇至少含有5个QTN原始位点。其中，33个QTN簇与已克隆籽粒大小相关基因共定位，还有大量QTN簇尚未被开发及利用。
图3 玉米籽粒大小相关性状QTN簇分析
为进一步挖掘控制玉米籽粒大小相关性状的热点区间，对已鉴定的QTL和QTN簇进行进一步整合分析，以包含至少3个及以上的不同性状的QTL/QTN簇作为热点区间进行数据分析，共获得31个热点区间。根据这些热点区间的物理位置，共获得6792个初筛基因，通过已克隆基因表达模式和GO富集分析，获得可能参与玉米籽粒大小相关形状的候选基因。鉴于PPR基因在玉米籽粒发育中的关键作用，对热点区间内的PPR基因进行检索，共获得85个PPR基因。这些候选基因可作为调控玉米籽粒大小的潜在靶基因，在将来的实验研究中进行验证及开发利用。
最后，本文提出了高产优质玉米的生产策略模型，辅助鉴定提高玉米产量的优良基因。其路径如下（图 4）：步骤一，收集具有不同遗传背景下的各种植物材料，如各种自交系、突变体、分离群体等；步骤二，利用QTL定位和GWAS分析等基因克隆方法筛选和鉴定候选基因；步骤三，阐明候选基因在细胞形态发生、营养物质合成、运输和储藏等方面的调控机制，进而构建不同分子水平的基因调控网络；步骤四，利用分子标记辅助育种、分子设计育种、基因组选择、转基因育种和基于CRISPR/ Cas的基因组编辑技术进行高产优质玉米的分子育种。
图4 高产优质玉米生产策略模型
综上所述，通过挖掘和整合已报道的玉米籽粒大小相关性状的QTL、QTN和基因，有助于了解其遗传结构，挖掘新型基因资源，并最终指导高产优质玉米品种的培育。
北京科技大学生物与农业研究中心硕士研究生王成和青年教师李焕改为论文共同第一作者，北京科技大学万向元教授和魏珣研究员为该文共同通讯作者。本研究受到国家重点研发计划和中央高校基本科研基金的资助。
原文链接：https://doi.org/10.3390/ijms24021025
