華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊揭示玉米抗性與產(chǎn)量平衡的關(guān)鍵遺傳調(diào)控機(jī)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(xué)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(shù)》（Nature Biotechnology）發(fā)表最新研究成果，詳細(xì)闡述了玉米產(chǎn)量和抗性平衡的遺傳與分子機(jī)制，為玉米高抗高產(chǎn)精準(zhǔn)分子設(shè)計育種奠定了理論基礎(chǔ)。

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(guān)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(jī)制，使玉米產(chǎn)量和抗性達(dá)到最佳平衡，是作物育種有重要應(yīng)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(yīng)答起到重要的調(diào)控作用。植物基因組上普遍存在一類反向重復(fù)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因的表達(dá)，但I(xiàn)R是否及如何通過產(chǎn)生sRNA調(diào)控基因的表達(dá)進(jìn)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(tuán)隊獲得了338份玉米關(guān)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(dá)組和其中197份群體的轉(zhuǎn)錄組。從中檢測到三萬多個響應(yīng)干旱脅迫的sRNA并獲得其群體水平的表達(dá)性狀。對上述sRNA表達(dá)性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（eGWAS），共獲得6000來個調(diào)控sRNA表達(dá)的eQTL（大部分為IR結(jié)構(gòu)變異），其中有29個是eQTL熱點，能同時調(diào)控20個以上sRNA的表達(dá)。

通過預(yù)測分析，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)29個eQTL熱點所產(chǎn)生的sRNA調(diào)控2764個潛在的靶基因。其中，530個基因（19.2%）與植物繁殖相關(guān)，891個基因（32.2%）與脅迫應(yīng)答相關(guān)，表明這些seQTL熱點在調(diào)控玉米產(chǎn)量和環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮重要功能。為了進(jìn)一步解析作物產(chǎn)量和環(huán)境適應(yīng)性分子調(diào)控機(jī)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(dá)相關(guān)。

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(zhuǎn)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(dǎo)耐旱性和產(chǎn)量性狀之間的選擇平衡，進(jìn)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(yīng)干旱中的普遍作用，團(tuán)隊研究了全基因組范圍內(nèi)的IR結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量與干旱適應(yīng)性和產(chǎn)量性狀相關(guān)的環(huán)境特異性遺傳調(diào)控因子。由IR結(jié)構(gòu)介導(dǎo)的產(chǎn)量抗性平衡機(jī)制，為通過基因組精準(zhǔn)設(shè)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?！敖酉聛恚覀儗⒔Y(jié)合玉米產(chǎn)量和抗性平衡的遺傳與分子機(jī)制，致力于玉米高抗高產(chǎn)精準(zhǔn)分子設(shè)計育種研究。”代明球說。