華中農(nóng)業(yè)大學研究團隊揭示玉米抗性與產(chǎn)量平衡的關鍵遺傳調控機制

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 程墨 通訊員 尚紫荊 蔣朝常）10月13日，作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室代明球教授、李林教授課題組聯(lián)合湖北洪山實驗室、園藝植物生物學教育部重點實驗室李峰教授課題組在國際頂刊《自然生物技術》（Nature Biotechnology）發(fā)表最新研究成果，詳細闡述了玉米產(chǎn)量和抗性平衡的遺傳與分子機制，為玉米高抗高產(chǎn)精準分子設計育種奠定了理論基礎。

玉米是我國種植面積最大、產(chǎn)量最高的糧食作物，對保障國家糧食安全至關重要。近百年來，育種家將玉米產(chǎn)量大幅提高，但伴隨而來的是玉米抗旱性的顯著下降，表明產(chǎn)量性狀和抗逆性狀往往相互拮抗。揭示其遺傳與分子作用機制，使玉米產(chǎn)量和抗性達到最佳平衡，是作物育種有重要應用價值的研究課題。

sRNA是一類短片段的非編碼RNA，在真核生物中廣泛存在。sRNA被報道對植物的生長發(fā)育和逆境脅迫應答起到重要的調控作用。植物基因組上普遍存在一類反向重復結構IR（Inverted repeat），能夠產(chǎn)生大量的sRNA。盡管知道這些IR產(chǎn)生的sRNA能夠在轉錄和轉錄后水平調控基因的表達，但IR是否及如何通過產(chǎn)生sRNA調控基因的表達進而控制玉米產(chǎn)量和環(huán)境脅迫耐受性迄今未知。

通過高通量測序，研究團隊獲得了338份玉米關聯(lián)群體在正常澆水（WW）和干旱脅迫（DS）生長條件下的sRNA表達組和其中197份群體的轉錄組。從中檢測到三萬多個響應干旱脅迫的sRNA并獲得其群體水平的表達性狀。對上述sRNA表達性狀進行全基因組關聯(lián)分析（eGWAS），共獲得6000來個調控sRNA表達的eQTL（大部分為IR結構變異），其中有29個是eQTL熱點，能同時調控20個以上sRNA的表達。

通過預測分析，團隊發(fā)現(xiàn)29個eQTL熱點所產(chǎn)生的sRNA調控2764個潛在的靶基因。其中，530個基因（19.2%）與植物繁殖相關，891個基因（32.2%）與脅迫應答相關，表明這些seQTL熱點在調控玉米產(chǎn)量和環(huán)境適應性方面發(fā)揮重要功能。為了進一步解析作物產(chǎn)量和環(huán)境適應性分子調控機制，作者克隆了8號染色體上一個干旱特異性超級熱點eQTL DRESH8，DRESH8與上千個sRNA表達相關。

他們發(fā)現(xiàn)，群體中，缺乏DRESH8的玉米在干旱脅迫下的存活率高于攜帶DRESH8的玉米，就產(chǎn)量性狀而言（如穗長、穗直徑、粒長、粒寬、粒厚、百粒重等），含有DRESH8的野生型玉米要比不含DRESH8的基因編輯（類似分子剪刀，能將DRESH8剪除）轉基因玉米提高5%-14%，即DRESH8的存在有利于提高玉米產(chǎn)量。以上這些數(shù)據(jù)表明，DRESH8能夠介導耐旱性和產(chǎn)量性狀之間的選擇平衡，進而影響玉米在世界范圍內(nèi)的傳播。

為了更全面地描述IR在玉米響應干旱中的普遍作用，團隊研究了全基因組范圍內(nèi)的IR結構，發(fā)現(xiàn)了大量與干旱適應性和產(chǎn)量性狀相關的環(huán)境特異性遺傳調控因子。由IR結構介導的產(chǎn)量抗性平衡機制，為通過基因組精準設計來培育高抗高產(chǎn)作物鋪平了道路，提供了優(yōu)異基因資源?！敖酉聛?，我們將結合玉米產(chǎn)量和抗性平衡的遺傳與分子機制，致力于玉米高抗高產(chǎn)精準分子設計育種研究?！贝髑蛘f。