北京时间2023年1月17日，我校生命科学学院王海洋教授团队联合中国农业科学院生物技术研究所等单位科研团队完成的论文“De novo genome assembly and analyses of twelve founder inbred lines provide insights into maize heterosis” 在线发表在国际顶尖学术期刊 “Nature Genetics” 上。该研究在构建玉米核心自交系泛基因组、解析玉米杂种优势形成机理方面取得重大进展。
杂种优势是指杂交F1代个体比它的双亲表现出更大的生物量、更强的抗逆性、更高的产量的生物学现象。杂种优势是生物界的普遍现象，杂种优势利用是作物育种的主要方法之一。玉米是目前世界（也是我国）的第一大农作物(占全球谷物生产量的36%左右)，也是所有作物中杂种优势最强、应用最成功的作物，目前生产上所用的97%以上的玉米品种都是基于杂种优势的杂交种。然而由于目前玉米杂种优势形成的机理还不清楚，导致杂交种的选育还是主要依赖于经验，育种周期长，效率低下，突破性新品种匮乏。
基于此，王海洋教授团队联合了中国农业科学院生物技术研究所、中国农业大学、北京市农林科学院、河南农业大学等玉米研究优势单位的科研团队，通过三代测序等技术组装了世界范围内广泛使用的12 个骨干自交系亲本(黄早四、昌7-2、京92、京724、478、郑58、178、S37、丹340、A632、OH43、PH207)的高质量基因组。结合已发表的B73 和Mo17 基因组，构建了温带玉米核心育种种质的泛基因组（几乎代表了当前生产应用的所有玉米杂种优势群）。
分析发现玉米自交系间存在着广泛的遗传变异（两两自交系间平均存在8,489,166个 SNP、1,223,484个小的InDel及37,459 个结构变异）；通过对现代育种中广泛使用的350份玉米自交系中开花期、穗行数、行粒数、抗病性的表型和关键调控基因的单倍型分析，揭示了结构变异对杂种优势群形成和表型分化的重要贡献；通过对131份自交系雌穗的转录组数据分析，鉴定到306,868个调控基因表达的顺式eQTL，并挖掘到了一批调控玉米雄穗分枝数、穗位高及穗腐病抗性相关的候选基因及其关键结构变异；进一步结合14 个自交系的双列杂交群体 (91个F1)及3个环境的表型数据分析发现，玉米杂种优势与双亲基因组间结构变异的数量呈显著正相关，而与双亲基因组间共线性程度呈显著负相关，说明玉米杂种优势与双亲在全基因组水平的遗传互补性密切相关，为杂种优势的遗传互补模型提供了强有力的支持。同时结合遗传和分子生物学证据，挖掘到了ZmACO2 （编码一个乙烯合成酶）和ARGOS1 (ZAR1, 编码一个乙烯信号传导相关蛋白) 2个关键产量杂种优势位点，证明了其以超显性效应发挥作用。本研究为阐明玉米杂种优势机理迈出了坚实的一步，也为高产杂交玉米品种的选育奠定坚实的理论基础和基因资源。
论文评审专家认为，该研究所组装的基因组非常重要、有用和详实，将会对玉米这个世界重要农作物的改良和研究产生关键推动作用。这或将帮助育种家和遗传学家向共同的育种目标迈出更进一步。
我校王海洋教授、中国农业大学赖锦盛教授、北京市农林科学院赵久然研究员和河南农业大学陈彦惠教授为该论文通讯作者。该研究以中国农业科学院生物技术研究所为第一完成单位，生物技术研究所研究员王宝宝、博士研究生候美、中国农业大学已毕业博士史俊鹏（现为中山大学副教授）、河南农业大学教授库丽霞、北京市农林科学院研究员宋伟及中国农科院作科所副研究员李春辉为论文共同第一作者。项目合作单位还包括内蒙古大学、华中农业大学、中国医学科学院等单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目、北京学者计划和中国农业科学院科技创新工程的资助。
文图/生命科学学院
