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中国教育报-中国教育新闻网讯(记者 程墨 通讯员 尚紫荆 蒋朝常)10月13日,作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室代明球教授、李林教授课题组联合湖北洪山实验室、园艺植物生物学教育部重点实验室李峰教授课题组在国际顶刊《自然生物技术》(Nature Biotechnology)发表最新研究成果,详细阐述了玉米产量和抗性平衡的遗传与分子机制,为玉米高抗高产精准分子设计育种奠定了理论基础。

玉米是我国种植面积最大、产量最高的粮食作物,对保障国家粮食安全至关重要。近百年来,育种家将玉米产量大幅提高,但伴随而来的是玉米抗旱性的显著下降,表明产量性状和抗逆性状往往相互拮抗。揭示其遗传与分子作用机制,使玉米产量和抗性达到最佳平衡,是作物育种有重要应用价值的研究课题。

sRNA是一类短片段的非编码RNA,在真核生物中广泛存在。sRNA被报道对植物的生长发育和逆境胁迫应答起到重要的调控作用。植物基因组上普遍存在一类反向重复结构IR(Inverted repeat),能够产生大量的sRNA。尽管知道这些IR产生的sRNA能够在转录和转录后水平调控基因的表达,但IR是否及如何通过产生sRNA调控基因的表达进而控制玉米产量和环境胁迫耐受性迄今未知。

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通过高通量测序,研究团队获得了338份玉米关联群体在正常浇水(WW)和干旱胁迫(DS)生长条件下的sRNA表达组和其中197份群体的转录组。从中检测到三万多个响应干旱胁迫的sRNA并获得其群体水平的表达性状。对上述sRNA表达性状进行全基因组关联分析(eGWAS),共获得6000来个调控sRNA表达的eQTL(大部分为IR结构变异),其中有29个是eQTL热点,能同时调控20个以上sRNA的表达。

通过预测分析,团队发现29个eQTL热点所产生的sRNA调控2764个潜在的靶基因。其中,530个基因(19.2%)与植物繁殖相关,891个基因(32.2%)与胁迫应答相关,表明这些seQTL热点在调控玉米产量和环境适应性方面发挥重要功能。为了进一步解析作物产量和环境适应性分子调控机制,作者克隆了8号染色体上一个干旱特异性超级热点eQTL DRESH8,DRESH8与上千个sRNA表达相关。

他们发现,群体中,缺乏DRESH8的玉米在干旱胁迫下的存活率高于携带DRESH8的玉米,就产量性状而言(如穗长、穗直径、粒长、粒宽、粒厚、百粒重等),含有DRESH8的野生型玉米要比不含DRESH8的基因编辑(类似分子剪刀,能将DRESH8剪除)转基因玉米提高5%-14%,即DRESH8的存在有利于提高玉米产量。以上这些数据表明,DRESH8能够介导耐旱性和产量性状之间的选择平衡,进而影响玉米在世界范围内的传播。

为了更全面地描述IR在玉米响应干旱中的普遍作用,团队研究了全基因组范围内的IR结构,发现了大量与干旱适应性和产量性状相关的环境特异性遗传调控因子。由IR结构介导的产量抗性平衡机制,为通过基因组精准设计来培育高抗高产作物铺平了道路,提供了优异基因资源。“接下来,我们将结合玉米产量和抗性平衡的遗传与分子机制,致力于玉米高抗高产精准分子设计育种研究。”代明球说。

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