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        華中農業大學研究團隊揭示玉米抗性與產量平衡的關鍵遺傳調控機制

        發布時間:2022-10-14 作者:程墨 尚紫荊 蔣朝常 來源:中國教育新聞網

        中國教育報-中國教育新聞網訊(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)發表最新研究成果,詳細闡述了玉米產量和抗性平衡的遺傳與分子機制,為玉米高抗高產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),能夠產生大量的sRNA。盡管知道這些IR產生的sRNA能夠在轉錄和轉錄后水平調控基因的表達,但IR是否及如何通過產生sRNA調控基因的表達進而控制玉米產量和環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,團隊發現29個eQTL熱點所產生的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熱點在調控玉米產量和環境適應性方面發揮重要功能。為了進一步解析作物產量和環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。

        他們發現,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量。以上這些數據表明,DRESH8能夠介導耐旱性和產量性狀之間的選擇平衡,進而影響玉米在世界范圍內的傳播。

        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的IR結構,發現了大量與干旱適應性和產量性狀相關的環境特異性遺傳調控因子。由IR結構介導的產量抗性平衡機制,為通過基因組精準設計來培育高抗高產作物鋪平了道路,提供了優異基因資源?!敖酉聛?,我們將結合玉米產量和抗性平衡的遺傳與分子機制,致力于玉米高抗高產精準分子設計育種研究?!贝髑蛘f。

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