鱼和熊掌的选择: 反向重复序列变异介导的玉米环境适应与产量平衡

作物育种的目标是找到产量和抗性的最佳平衡点, 其中涉及“鱼和熊掌”二者兼得的选择策略。哪些逆境负调控位点影响产量性状, 以及如何调控等是突破育种瓶颈的重要科学问题。近百年来, 高产玉米(Zea mays)育种使玉米单产不断提高, 同时现代玉米品种对干旱的敏感性也呈现出增强趋势, 故而存在高产稳产的潜在风险。可对于这一现象背后确切的遗传机制却知之甚少, 从而限制了既高产又高抗玉米新品种的培育。玉米的非生物胁迫抗性与产量性状均为多基因控制的复杂数量性状, 涉及全基因组范围内大量基因的表达与调控。玉米基因组内存在大量的小RNA (sRNA), 其对基因表达起精细调控作用, 但人们对sRNA调控作物环境胁迫应答与产量性状机制的理解仍然有限。近日, 华中农业大学代明球课题组与李林和李峰两个课题组合作, 基于对338份玉米关联群体在不同环境下的sRNA表达组分析, 鉴定到大量干旱应答的sRNA, 以及调控这些sRNA表达的遗传位点(eQTL); 并克隆了8号染色体上1个干旱特异性eQTL热点DRESH8。生物信息学分析显示, DRESH8是1个由转座子组成的长度约为21.4 kb的反向重复序列(TE-IR)。DRESH8通过产生小干扰RNA (siRNA)介导抗旱基因的转录后沉默, 并间接抑制产量负调控因子的表达, 在负调控干旱应答的同时正调控产量性状。进一步研究发现, DRESH8在玉米驯化和改良过程中受到了人工选择。据此, 他们认为DRESH8可能是玉米平衡抗旱性和产量的关键遗传位点。该研究在全基因组水平上揭示了作物调控产量和环境胁迫抗性平衡的关键遗传机制, 同时也鉴定到大量IR位点, 为未来“高抗、高产”玉米设计育种提供了有价值的操控靶点。     

基于CSSLs群体定位和图位克隆水稻长芒基因GAD1-2

水稻是世界上最早驯化的重要粮食作物之一。水稻芒可以保护水稻种子不被鸟琢食,是水稻重要的驯化性状之一。芒在野生稻中普遍存在,对野生稻的生存和传播至关重要,然而在驯化和人工选择过程中该性状逐渐被淘汰。定位和克隆水稻长芒相关基因是研究水稻芒驯化遗传机制的基础。本研究以籼稻恢复系东南恢810为受体、漳浦野生稻为供体构建的146个染色体片段置换系(chromosome segment substitution lines, CSSLs)为研究材料,调查了146个CSSLs株系和双亲的芒长,结果表明在4个置换系中检测到1个控制水稻芒长主效基因GAD1-2,位于水稻第8号染色体;利用重叠代换作图法,将GAD1-2定位在Ind8-10和RM4936标记之间,遗传距离约为4.75 Mb。选择分离群体中的显性单株,利用开发的标记,最终将GAD1-2 基因定位在两个 Indel 标记之间,两者间的物理距离约为27 kb,该区域内只有两个候选基因Os08g0485500和Os08g0485400。经测序和分析表明,Os08g0485500是GAD1-2的候选基因,GAD1-2在保守的ORF区域存在6个碱基缺失,导致丝氨酸和半胱氨酸这两个氨基酸缺失,从而表现长芒的性状;在Os08g0485500基因位点已克隆了1个控制水稻芒长的GAD1基因,推测GAD1-2与GAD1为等位基因。本研究为进一步理解水稻起源演化和水稻芒长发育基因的遗传机制奠定了基础。     

植物适应土壤氮素环境的基因选择: 以水稻为例

在农业生产过程中, 施用无机氮肥是提高作物产量的基础, 但氮肥过量施加对生态系统和植物发育进程均会产生不利影响。因此, 提高作物氮素利用效率是农业可持续发展的关键。目前, 对重要粮食作物水稻(Oryza sativa)的氮高效研究取得了一系列重要进展, 并克隆到多个调控氮素吸收、转运和代谢的关键基因。然而, 在不断被人工选育的过程中, 水稻适应土壤不同氮素环境的遗传基础尚不清楚。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才团队通过评估全球不同生态地理区域的水稻种质资源, 以分蘖数对氮的响应(TRN)为指标进行全基因组关联分析, 鉴定到1个TRN关键负调控基因OsTCP19, 发现其启动子区1个29 bp的核苷酸插入缺失多态性(InDel)变异与品种间的TRN差异密切相关。OsTCP19通过抑制其下游分蘖促进基因DLT转录进而负调控TRN, 而OsTCP19自身的转录活性受氮响应因子OsLBD负调控。OsTCP19的不同等位变异在不同水稻品种中被差异选择并固定, 且与当地土壤含氮量显著相关, 是调控水稻氮素适应性的重要遗传基础。该研究揭示了水稻适应土壤氮素环境变化的分子遗传机制, 为水稻氮素高效利用育种提供了新的遗传资源。     

四倍体野生稻快速驯化: 启动人类新农业文明

通过人工选择优良遗传变异, 将野生植物驯化为栽培作物, 以满足人类对食物的需求, 是人类发展历史中的重要事件, 推动了人类文明的持续发展。随着世界人口持续增加, 耕地面积不断减少, 灾害性天气频发, 全球粮食安全问题日趋严峻。基于作物驯化的分子机理及重要农艺性状的遗传基础, 结合高通量基因组测序和高效基因组编辑技术, 从头驯化野生植物, 创造新型作物, 将是应对这一挑战的有效策略之一。近日, 中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队联合国内外多家单位, 通过组装异源四倍体高秆野生稻(Oryza alta)基因组, 优化遗传转化体系, 利用基因组编辑技术, 使其落粒性、芒性、株型、籽粒大小及抽穗期等决定作物驯化成功与否的重要性状发生改变, 成功实现了异源四倍体高秆野生稻的从头定向驯化。该突破性研究成果证明了通过从头驯化将异源四倍体野生稻培育成未来的主粮作物, 是确保粮食安全的可行策略, 同时也为从头驯化野生和半野生植物、创制新型作物提供了重要参考。     

利用多组学手段解析番茄育种过程中代谢物变化的机制

番茄(Solanum lycopersicum)在育种过程中经历了驯化、改良、分化和渐渗等不同阶段, 在这一选择过程中番茄的果重和风味等均发生了显著改变, 但是目前对于番茄育种过程中代谢物的变化及其遗传基础却不是十分清楚。近期, 中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究组与华中农业大学罗杰研究组利用多组学(变异组、转录组及代谢组)手段系统解析了番茄育种过程中代谢物的变化。结果表明, 在番茄驯化过程中有46个甾醇糖基生物碱类物质(SGAs)含量逐渐降低, 并获得了7个与其中44个物质显著相关的遗传位点。因此, 在番茄育种过程中通过优异等位位点的组合可以显著降低SGAs的含量; 同时发现在番茄以果重为目标的选择过程中, 控制果重基因周围其它基因的“搭车效应”是引起许多代谢物变化的重要遗传因素, 及在育种过程中对某一性状的选择会对其它性状产生重要影响。该研究首次利用多组学手段系统解析了选择对作物代谢物的影响, 为番茄品质改良奠定了良好的理论基础。     

4种模式植物LRR VIII-2亚家族基因的鉴定和进化历史分析

全基因组重复与串联重复是发生基因重复的重要机制, 也是基因组和遗传系统多样化的重要动力。LRR-RLK编码富含亮氨酸重复的类受体蛋白激酶, 是被子植物进化史上发生大规模扩张而形成的多基因家族。拟南芥(Arabidopsis thaliana) AtLRR-RLK包含15个亚家族, AtLRR VIII-2是其中发生串联重复比例最高的亚家族。通过分析拟南芥、杨树(Populus trichocarpa)、葡萄(Vitis vinifera)和番木瓜(Carica papaya) 4种模式植物中LRR VIII-2亚家族基因的扩张及差异保留情况, 结果显示, LRR VIII-2在杨树中的扩张程度最高, 在拟南芥和葡萄中的扩张程度居中, 但在番木瓜中发生丢失。拟南芥、杨树和葡萄LRR VIII-2亚家族具有旁系同源基因对, 但在番木瓜中未发现旁系同源基因。除杨树中的1对旁系同源基因外, 4种模式植物中LRR VIII-2亚家族的旁系和直系同源基因都受到较强的纯化选择作用。对LRR VIII-2亚家族进化历史的深入分析有助于理解基因重复在植物进化中的作用和意义, 可为预测同源基因功能及解析其它基因家族进化历史提供参考。     

水稻ECT基因家族的全基因组研究

真核生物mRNA转录后修饰可调控许多基因的遗传信息,植物m⁶A甲基化研究正成为关注的新热点。m⁶A结合蛋白 (m⁶A readers) 调节m⁶A修饰的特异性,通常具有YTH (YT521-B homology) 结构域,在拟南芥中被命名为ECT结构域 (evolutionarily conserved C-terminal region ECT domain) 。目前ECT基因已在拟南芥和水稻等植物中检测到,但该基因家族在水稻中的成员及生物学功能还缺乏研究。本研究通过水稻ECT基因家族的全基因组分析,鉴定出12个OsECT基因,具有1个保守的基序,多位于蛋白质氨基酸序列C-端。共线性分析表明,在水稻基因组内OsECT-c与OsECT-e发生了重复事件,在物种间ECT同源基因对可能是在双子叶和单子叶植物分化后形成。同源基因对OsECT的Ka/Ks < 1,表明OsECT基因家族在进化过程中可能经历了较强的纯化选择压力。表达模式分析显示,OsECT-b、OsECT-c、OsECT-e和OsECT-j在水稻生长初期各个组织均保持较高的表达水平,OsECT-g在干旱处理后表达量显著下调。因此,OsECT基因在水稻生长发育和逆境胁迫中可能发挥着重要作用。本研究为今后OsECT基因在水稻的节水抗旱机制研究和相关抗逆育种提供了重要的理论基础。     

玉米逆境响应相关转录因子ZmC2H2-1基因克隆及功能验证

玉米是我国第一大作物,提高玉米的抗逆性是玉米育种的重要目标性状之一。植物C2H2型锌指蛋白广泛参与植物各个时期的生长发育及逆境应答过程。本研究从玉米中分离了转录因子ZmC2H2-1基因并对其功能进行了初步研究。结果表明,ZmC2H2-1属于C2H2锌指蛋白转录因子家族,编码蛋白主要位于细胞核中,酵母自激活实验表明ZmC2H2-1不具有自激活活性;干旱、盐和ABA等逆境可抑制ZmC2H2-1基因在玉米中的表达;过表达ZmC2H2-1基因的拟南芥叶片失水速率更快,在PEG、高盐和ABA处理条件下,与对照相比转ZmC2H2-1基因拟南芥耐逆性降低,以上结果说明ZmC2H2-1基因是作为玉米抗逆的负调控因子参与了逆境胁迫应答。本研究为深入解析玉米ZmC2H2-1的调控网络和玉米的抗逆调控机制奠定了基础。     

水稻OsJMJ718基因可选择性多聚腺苷酸化序列的 克隆及生殖发育期表达模式

可选择性多聚腺苷酸化是真核生物重要的基因调控机制之一, 通过形成不同长度的3'端非翻译区影响信使RNA的稳定性、定位和翻译效率, 从而增加转录本的复杂度。已有研究表明, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)中参与DNA去甲基化调控IBM1基因的可选择性多聚腺苷酸化加工受染色质调节因子EDM2调控, 从而影响拟南芥基因组数千基因的CHG甲基化水平, 但该类调控机制是否在其它物种中同样存在仍然未知。以水稻(Oryza sativa)基因组中IBM1同源基因OsJMJ718为研究对象, 利用生物信息学分析和3'RACE实验, 发现IBM1同源基因也存在可选择性多聚腺苷酸化修饰, OsJMJ718基因可能存在9个可选择性多聚腺苷酸化序列。序列比对分析表明, NCBI网站现存日本晴OsJMJ718基因组3'末端序列与9522和明辉63等其它生态型基因组序列组成可能不同。荧光实时定量PCR分析表明, OsJMJ718的9个转录本在水稻生殖发育阶段呈现不同的动态表达模式, 其中TVX5转录本表达量最高。研究获得的OsJMJ718基因可选择性多聚腺苷酸化序列信息及相关的表达模式分析为进一步揭示水稻OsJMJ718基因的可选择性多聚腺苷酸化分子机制和生物学功能奠定了基础。     

水稻种质资源及其在功能基因组中的应用

水稻种质资源群体分为自然种质资源和遗传资源两类,是作物遗传改良和功能基因组学研究的基础材料。现简要介绍利用水稻种质资源群体开展全基因组关联分析定位数量性状位点、剖析基因变异与功能多样性、发掘与利用有利基因、分析基因组多样性及驯化选择区域等方面的研究进展及其展望。     

云南疣粒野生稻稻瘟病抗性

野生稻(Oryza rufipogo)保存有许多栽培稻(O. sativa)不具备或已经消失的优异基因资源, 是扩大栽培稻遗传背景、改良产量与品质、提高抗病虫害及抗逆境能力的重要基因库。疣粒野生稻(O. meyeriana)是中国3种野生稻资源之一, 主要分布在云南。为进一步了解其稻瘟病抗性, 首先利用来自不同稻作区的稻瘟病菌株, 通过注射接种法对疣粒野生稻进行系统的稻瘟病抗性鉴定, 发现疣粒野生稻对接种的所有稻瘟病菌株都感病。进一步采用3'/5' RACE方法, 从疣粒野生稻中克隆了水稻同源基因Pid2和Pid3, 并构建过表达转基因株系对基因功能进行了研究。结果表明, Pid2和Pid3与疣粒野生稻中同源基因间在DNA和氨基酸水平上有较大的序列差异, 过表达转基因的日本晴植株对稻瘟病菌的敏感性与对照相似。推测疣粒野生稻在自然接种条件下, 表现出的抗稻瘟病表型很可能是其旱生叶片结构特征形成了对稻瘟病菌侵染的天然屏障。对控制疣粒野生稻这一类性状基因资源的挖掘和利用, 有利于优良抗性水稻品种的培育。研究结果为疣粒野生稻的研究利用提供了新信息和新思路。     

玉米叶形相关性状的Meta-QTL及候选基因分析

叶长、叶宽、叶面积及叶夹角不仅影响玉米(Zea mays)光合效率, 也是株型的重要构成因素。通过对620个叶形QTL进行整合, 构建不同遗传背景下的叶形QTL整合图谱, 利用元分析发掘出22个叶长、22个叶宽、12个叶面积以及17个叶夹角mQTL; 进一步运用生物信息学手段, 确定44个与叶片发育密切相关的候选基因。分析发现, 仅有NAL7-like、YABBY6- like和GRF2等13个基因位于mQTL区间内, 而玉米中已克隆的KNOTTED1、AN3/GIF1、rgd1/lbl1、mwp1及SRL2-like、HYL1-like和CYCB2;4-like等水稻(Oryza sativa)和拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶形同源基因位于未被整合的QTL内; 对44个候选基因在叶片长、宽、厚发育过程中基部-末端、中央-边缘、远轴-近轴的调控机理进行归纳分析, 发现玉米中仅有少数几个候选基因被报道, 揭示了叶形发育的部分分子机理。因此, 对玉米叶形相关mQTL/QTL及基因进行全面深入的分析, 不仅有助于增加对其遗传结构的了解, 发掘更多候选基因, 阐明叶形发育和形成的分子机制, 还可为耐密理想株型的分子标记辅助选择提供依据。     

大刍草稀有等位基因促进玉米密植高产

密植是提高作物单位面积产量、促进粮食增产的重要途径之一。叶夹角是影响玉米(Zea mays)密植的关键因子。中国农业大学田丰课题组最近克隆了2个调控玉米叶夹角的数量性状位点(QTL)——UPA1和UPA2, 揭示了这2个位点的功能基因(brd1和ZmRAVL1)通过油菜素内酯(BR)信号通路调控叶夹角。UPA2位于ZmRAVL1上游9.5 kb, 可与DRL1蛋白结合。另一个影响玉米叶夹角的蛋白LG1可以激活ZmRAVL1的表达; DRL1蛋白与LG1蛋白直接互作抑制LG1对ZmRAVL1的激活表达。玉米祖先种大刍草(teosinte)的UPA2位点序列与DRL1蛋白结合能力更强, 导致大刍草ZmRAVL1的表达受到更强的抑制, 下调表达的ZmRAVL1进一步使下游基因brd1的表达下调, 进而降低叶环区的内源BR水平, 导致叶夹角变小。将大刍草的UPA2等位基因导入到玉米中或对玉米中ZmRAVL1进行基因编辑, 在密植条件下均可显著提高玉米产量。上述发现为高产玉米品种的分子育种改良提供了重要理论基础和基因资源。     

Largely unlinked gene sets targeted by selection for domestication syndrome phenotypes in maize and sorghum

The domestication of diverse grain crops from wild grasses was a result of artificial selection for a suite of overlapping traits producing changes referred to in aggregate as ‘domestication syndrome’. Parallel phenotypic change can be accomplished by either selection on orthologous genes or selection on non‐orthologous genes with parallel phenotypic effects. To determine how often artificial selection for domestication traits in the grasses targeted orthologous genes, we employed resequencing data from wild and domesticated accessions of Zea (maize) and Sorghum (sorghum). Many ‘classic’ domestication genes identified through quantitative trait locus mapping in populations resulting from wild/domesticated crosses indeed show signatures of parallel selection in both maize and sorghum. However, the overall number of genes showing signatures of parallel selection in both species is not significantly different from that expected by chance. This suggests that while a small number of genes will extremely large phenotypic effects have been targeted repeatedly by artificial selection during domestication, the optimization part of domestication targeted small and largely non‐overlapping subsets of all possible genes which could produce equivalent phenotypic alterations.     

Creation of aromatic maize by CRISPR/Cas

Aroma is an important quality parameter for breeding in rice (Oryza sativa). For example, the aromatic rice varieties basmati and jasmine rice, with a popcorn-like scent, are popular worldwide and routinely command a price premium. 2-acetyl-1-pyrroline (2AP) is a key flavor compound among over 200 volatiles identified in fragrant rice. A naturally fragrant germplasm exists in multiple plant species besides rice, which all exhibit lower activity of BETAINE ALDEHYDE DEHYDROGENASE 2 (BADH2). However, no equivalent aromatic germplasm has been described in maize (Zea mays). Here, we characterized the two maize BADH2 homologs, ZmBADH2a and ZmBADH2b. We generated zmbadh2a and zmbadh2b single mutants and the zmbadh2a-zmbadh2b double mutant by CRISPR/Cas in four inbred lines. A popcorn-like scent was only noticeable in seeds from the double mutant, but not from either single mutant or in wild type. In agreement, we only detected 2AP in fresh kernels and dried mature seeds from the double mutant, which accumulated between 0.028 and 0.723 mg/kg 2AP. These results suggest that ZmBADH2a and ZmBADH2b redundantly participate in 2AP biosynthesis in maize, and represent the creation of the world's first aromatic maize by simultaneous genome editing of the two BADH2 genes.     

Genomic landscape of parallel domestication of upland rice and its implications

Parallel domestication has been widely acknowledged but itsgenetic basis remains largely unclear. As an important rice ecotype, upland rice was assumedly domesticated multiple times in two rice subspecies (Indica and Japonica) and provides a feasible system to explore the genetic basis of parallel domestication. To uncover the genome‐wide pattern of genetic differentiation between upland and lowland rice and explore the parallelism of genetic changes during upland rice domestication, we obtained whole‐genome sequences of 95 rice landraces and yielded genome‐wide expression data for five tissues of representative accessions of upland and lowland rice. Our phylogenetic analyses confirmed multiple domestications of the upland ecotype in two rice subspecies. Genomic scans based on resequencing data identified substantial differentiation between the upland and lowland ecotypes with 11.4% and 14.8% of the genome diverged between the two ecotypes in Indica and Japonica, respectively. Further genome‐wide gene expression analyses found that 30% of effectively expressed genes were significantly differentiated between two ecotypes, indicating the importance of regulation changes in the domestication of upland rice. Importantly, we found that only 1.8% of differentiated genomes and 1.6% of differentially expressed genes were shared by upland Indica and upland Japonica, suggestive of largely unparallel genetic alterations during upland rice domestication. These findings not only provide new insights into the genetic basis of parallel domestication at the genome scale but could also facilitate geneticimprovement and breeding of rice and crops in general.