“育种指纹”揭示玉米育种的遗传改良规律

　　中国农业科学院生物技术研究所与华南农业大学等单位合作阐析现代育种过程玉米基因组选择与遗传改良规律，为加速玉米遗传改良与精准设计育种提供了理论基础。相关研究成果于4月27日在线发表在国际顶尖学术期刊 《自然-遗传学》（Nature Genetics）上。

 

　　玉米是目前世界第一大农作物，广泛作为粮食、饲料和工业原材料。在过去几十年间，经过不断耐密性品种改良与种植密度提升，支撑玉米单产成倍增长。但玉米现代育种过程中品种耐密性改良的遗传基础和选择规律尚未系统解析。王海洋团队与华南农业大学等多家单位合作，收集了近几十年来国内外不同育种时期广泛使用的350份玉米育种材料，经过多环境表型分析，发现现代玉米育种过程中，育种材料均经历了向更低穗位、更少雄穗分枝数、更紧凑叶夹角及更早开花期方向的趋同选择；进一步采用全基因组重测序，结合全基因组关联分析 （GWAS），挖掘出233个与15个农艺性状有显著关联的基因位点；鉴定到1,888个受育种选择的基因组区域（育种指纹），涉及近5000个功能基因；基因富集分析发现，现代玉米育种主要选择与生物胁迫抗性、非生物胁迫抗性、植物激素代谢及信号转导、光信号转导及开花期调控通路相关的基因。最后，研究者利用CRISPR/Cas9 技术创制功能缺失突变体，证明2个在现代玉米育种过程中受到选择的基因ZmPIF3.3 和TSH4，分别在调控玉米株高（穗位高）和雄穗分枝数方面发挥重要作用。

 

　　本研究明确了穗位、雄穗分枝数、叶夹角和开花期对于提高玉米耐密性的关键作用，为耐密玉米品种遗传改良提供了方向性指引；阐明现代玉米育种过程全基因组选择与遗传改良规律，挖掘出一大批调控耐密株型和抗逆性关键候选基因，为玉米耐密抗逆全基因组设计育种提供了理论基础和基因资源。本研究成果也可为其他作物（如水稻、小麦等）遗传育种规律的解析和优良基因挖掘提供有益借鉴。

 

　　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，生物技术研究所王宝宝博士、北京大学现代农学院博士研究生林泽川和生物技术研究所博士研究生李鑫为共同第一作者，通讯作者为华南农业大学生命科学学院王海洋教授和北京大学现代农学院何航副研究员。该研究得到国家重点研发计划、广东省基础研究和应用研究重大计划、国家转基因重大专项、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程资助。

 

　　论文链接：https://doi.org/10.1038/s41588-020-0616-3