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爆发!2年中1篇Science,2篇PC,1篇MP,1篇PNAS等7篇高水平文章,中国农大田丰课题组在玉米研究中取得一系列进展!

iPlants微信公众号 2019年08月20日 报道 浏览次数:

今天我们关注来自中国农业大学田丰课题组。该课题组在近两年发表了多篇文章,其中包括1篇Science、2篇Plant Cell、1篇PNAS、1篇Current Biology、1篇Molecular Plant 和 1篇New Phytol等7篇通讯文章。值得注意的是,该课题组主要以玉米为研究对象,在玉米研究领域取得一系列的突破!详细见如下: 

 

1. 2018年1月,PNAS 杂志在线发表了题为“ZmCCT9 enhances maize adaptation to higher latitudes”的研究论文。该研究克隆了决定玉米纬度适应性的重要基因ZmCCT9,揭示了玉米从短日照低纬度地区向长日照高纬度地区散播的分子适应机制。

 

玉米是约9000年前由分布于墨西哥西南部的大刍草驯化而来。虽然大刍草仅分布在墨西哥西南部的狭长区域内,但现代栽培玉米已经遍布世界各地,跨越纬度近100度,是世界上种植最广泛的作物之一。作为典型的短日照作物,玉米生长发育受到光周期的调控。热带玉米对光周期敏感,只有在短日照低纬度地区才能正常开花结实,在长日照高纬度地区表现出不开花或延迟开花的特性。温带玉米则不同程度降低了对光周期的敏感性,可以在长日照高纬度地区正常开花结实。因此,光周期敏感性的降低在玉米从短日照低纬度地区向长日照高纬度地区散播过程中起着关键的作用。但玉米纬度适应性的分子机制仍尚未十分明确。研究团队通过图位克隆和关联分析克隆到一个控制玉米开花期的数量性状位点,研究发现该位点由位于CCT转录因子基因(ZmCCT9)上游57 kb处的一个Harbinger-like转座子调控。该转座子作为一个顺式作用元件抑制ZmCCT9基因的表达,从而促进玉米在长日照条件下开花。CRISPR/Cas9敲除ZmCCT9基因可使玉米在长日照条件下早开花。ZmCCT9基因受到生物钟的调控且通过负调控成花素基因ZCN8的表达,进而在长日照条件下延迟玉米开花。群体遗传学分析表明,调控ZmCCT10基因的CACTA-like转座子和调控ZmCCT9基因的Harbinger-like转座子先后出现在玉米起始驯化之后,并在玉米适应高纬度地区的过程中受到强烈选择。该研究揭示了玉米基因组丰富的转座子功能变异可能是玉米适应不同纬度地区的重要原因。 

论文链接:https://www.pnas.org/content/pnas/115/2/E334.full.pdf

2. 2018年3月,Molecular Plant 杂志在线发表了题为“Genome-wide Analysis of Transcriptional Variability in a Large Maize-Teosinte Population”的研究论文该研究分析玉米与其祖先种大刍草杂交衍生得到的回交重组自交系群体的基因表达变异特征,揭示了玉米驯化过程对基因表达的影响及其调控的分子遗传基础。

该研究首先通过玉米-大刍草杂交衍生得到的回交重组自交系群体进行了全基因组转录组测序,结合覆盖全基因组的高密度SNP分子标记,进行了全基因组表达数量性状位点(eQTL)定位分析。研究鉴定了25 660个表达数量性状基因座(eQTL)调控调控17,311个基因的表达变异。研究进一步发现,相邻的基因更容易同时检测到local-eQTL,呈现出expression piggybacking模型,从而产生共同调节的基因簇。同时,该研究还证明bHLH转录因子R1和己糖激酶HEX9可能分别作为黄酮类生物合成和糖酵解的关键调节剂。此外,研究发现发现驯化或改良已显着影响全基因组水平的基因表达,驯化更频繁地导致了栽培玉米等位基因的上调表达。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205217303817?via%3Dihub

 

3. 2018年7月,Plant Cell 杂志在线发表了题为“Genome-Wide Association Analyses Reveal the Importance of Alternative Splicing in Diversifying Gene Function and Regulating Phenotypic Variation in Maize”的研究论文。该研究揭示了可变剪接在丰富基因功能和调控表型变异方面发挥的重要作用。

可变剪接,又称选择性剪接,是指前体mRNA通过选择不同的剪接位点,将内含子切除,把不同的外显子连接在一起从而产生多种成熟mRNA剪接异构体的过程。可变剪接在真核生物中广泛存在,是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的重要机制。 

为了解析可变剪接自然变异的遗传调控基础,揭示可变剪接如何与其他分子调控机制偶联以及可变剪接对表型变异的贡献,研究团队以368份玉米自交系的未成熟籽粒为研究材料,利用先前发表的转录组数据分析了玉米全基因组水平的可变剪接情况,并利用全基因组关联分析(GWAS)的方法进行了可变剪接变异数量性状位点(splicing quantitative trait locus, sQTL)定位。研究发现玉米基因组中超过50%的基因存在可变剪接,内含子保留为最主要的可变剪接方式。可变剪接自然变异遗传结构相对简单,顺式调控效应远远高于反式调控效应。分析sQTL的效应发现仅有25%的sQTL存在不同基因型间主要转录本的转换,大部分sQTL仅涉及到较小剪接比的变化。深入分析sQTL的调控特征发现,sQTL所调控的转录本倾向具有不同的蛋白功能,并且无义介导的mRNA降解(nonsense-mediated mRNA decay, NMD),microRNA以及小干扰多肽(small interfering peptides, siPEPs)频繁参与sQTL调控,说明可变剪接除了增加转录组和蛋白质组的多样性外,也通常与不同层次的分子调控机制偶联调控基因的表达和翻译。研究还观察到可变剪接与基因总体表达水平受相对独立的遗传调控,体现在对顺式调控元件的不同偏好性上。通过鉴定全基因组反式剪接调控因子,发现一个编码甘氨酸富集RNA结合蛋白ZmGRP1调控大量下游基因的可变剪接,并利用CRISPR/Cas9敲除系证实了ZmGRP1对可变剪接的调控作用。研究进一步发现很多sQTL直接与表型性状QTL共定位,并且大多数共定位的sQTL不影响基因总体表达水平的变化,说明可变剪接对表型变异发挥了重要作用。该研究为理解可变剪接的遗传与分子调控机制提供了重要参考,同时也为研究表型变异提供了重要线索。论文链接:http://www.plantcell.org/content/plantcell/30/7/1404.full.pdf

4. 2018年9月,Current Biology杂志在线发表了题为“Stepwise cis-regulatory changes in ZCN8 contribute to maize flowering time adaptation”的研究论文。该研究发现玉米成花素基因ZCN8启动子上两个顺式作用元件,分别在玉米驯化、适应过程中相继受到选择并发挥作用,以帮助玉米从短日照低纬度地区向长日照高纬度地区散播。该研究揭示了一个基因上不同顺式作用元件在植物适应当地环境过程中逐步发挥作用的分子进化机制。

玉米属于短日照作物,由约9000年前分布于墨西哥巴尔萨斯河流域的大刍草(Zea mays ssp. parviglumis)驯化而来,经过长期的自然和人工选择,玉米逐渐克服光周期敏感性,适应了长日照、高纬度的温带环境,成为世界上种植最广泛的作物之一。开花期是决定玉米适应性的关键性状,虽然玉米中已经克隆了一些调控玉米开花的基因,但玉米的花期适应机制还未阐明。

ZCN8是玉米中的成花素基因,是玉米开花期调控网络中的关键整合因子。该研究团队通过关联分析发现ZCN8启动子上两个序列变异分别与花期显著关联,证实ZCN8在调控玉米花期自然变异中发挥了重要作用。进一步群体遗传学分析发现,其中的序列变异SNP-1245在祖先种大刍草中已经存在,其早开花等位基因在玉米早期驯化中受到强烈选择,导致大多数玉米携带SNP-1245的早开花等位基因。研究发现SNP-1245作为顺式作用元件通过影响上游基因ZmMADS1与ZCN8的结合来调控ZCN8的表达。在玉米向高山地区散播过程中,来自近缘祖先种(Zea mays ssp. mexicana)的另一个早开花自然变异杂交渗入进SNP-1245早开花单倍型中,从而帮助玉米适应温带环境。该研究最后绘制了前哥伦布时期玉米在美洲传播的多基因适应图谱。该研究不仅首次提出了玉米花期适应过程中单个基因的逐步进化机制,也揭示了近缘种的基因渗入对提高玉米适应性的重要作用,而且进一步构建了玉米花期适应的多基因进化图谱,这些研究结果为其他作物的驯化和适应研究提供了重要借鉴。论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096098221830928X?via%3Dihub 

5. 2019年6月,Plant Cell 杂志在线发表了题为"Evolutionary Metabolomics Identifies Substantial Metabolic Divergence between Maize and Its Wild Ancestor, Teosinte"的研究论文。该研究结合代谢组学、群体遗传学和数量遗传学,系统解析了玉米驯化过程中的代谢分化,并进一步通过多组学分析鉴定了控制代谢分化的功能基因。

玉米是大约9000年前由分布于墨西哥西南部的大刍草驯化而来的。在驯化过程中,玉米的植株形态发生了巨大的变化,如分蘖减少、雌穗变大、籽粒由果壳包被到裸露等;而且,玉米驯化后向高纬度地区传播过程逐渐适应了广泛的温带环境,适应性发生了根本性的变化。代谢物是连接基因型与表型的桥梁,在植物生长发育和环境适应性方面发挥着重要作用。然而,代谢物在玉米驯化和适应过程中发生了怎样的分化还知之甚少。

该研究利用非靶标液相色谱-质谱联用(LC-MS)对大刍草、热带玉米和温带玉米幼苗进行了代谢谱检测,获得了丰富的代谢组数据。研究发现从大刍草到热带玉米和温带玉米进化过程中,玉米幼苗代谢组发生了逐步的分化,在玉米两个进化阶段不同的代谢物受到了强烈选择。例如,萜类、脂质和生物碱主要在大刍草和热带玉米间发生分化;而苯并噁嗪类化合物主要在热带玉米和温带玉米间发生分化。这些代谢物在大刍草和不同玉米群体间发生分化可能是玉米适应不同生长环境造成的结果。例如,苯并噁嗪代谢途径中HDMBOA在热带玉米中含量较高,此代谢物可以有效抑制热带地区咀食性昆虫的危害;而DIMBOA在温带玉米中含量较高,它通过诱导胼胝质积累可以降低温带地区的蚜虫等刺吸式昆虫的危害。为了研究这些代谢物发生分化的遗传基础,作者利用大刍草和栽培玉米杂交、回交衍生得到的重组自交系群体对分化代谢物进行了mQTL定位分析。研究发现最近发生的代谢分化相对早期的代谢分化遗传基础更简单。研究鉴定到大量mQTL热点区域,这些区域特异地影响某类代谢物。作者进一步结合该重组自交系群体的幼苗转录组数据,鉴定出了调控mQTL的候选基因。与群体基因组数据的整合发现,分化代谢物mQTL的候选基因在玉米驯化过程中更倾向于受到选择。作者通过转基因和突变体分析,证实了FHT1、Pr1和ZmTPS1在类黄酮和萜类代谢物分化中发挥了重要作用。该研究不仅揭示了玉米驯化、适应过程伴随着深刻的代谢分化,而且展示了多组学数据的结合在解析数量性状遗传基础上的强大功效。论文链接:http://www.plantcell.org/content/early/2019/06/21/tpc.19.00111.long 

6. 2019年8月16日,Science 杂志在线发表了题为“Teosinte ligule allele narrows plant architecture and enhances high-density maize yields”的研究论文。该研究从玉米野生祖先种大刍草中克隆了控制玉米紧凑株型、密植增产的关键基因,建立了玉米紧凑株型的分子调控网络,为玉米理想株型分子育种、培育密植高产品种提供了理论和实践基础。此外《Science》杂志同期刊发了美国科学院院士Sarah Hake撰写的题为“Using wild relatives to improve maize”的评论文章。据悉,该篇论文为我国玉米领域的首篇CNS主刊论文。

玉米是世界第一大粮食作物,全世界玉米总产量已经超过10亿吨,占世界粮食总产量的41%,玉米生产对全球粮食安全起着举足轻重的作用。20世纪初至今,利用杂种优势选育玉米新品种是玉米遗传改良的主要方向,同时玉米育种家不断注重培育株型紧凑、耐密性强的玉米品种,使玉米种植密度显著提高,单产水平不断提升。例如,美国玉米主产区的种植密度在20世纪30年代仅为30,000株/公顷,而目前已经提升到超过90,000株/公顷。虽然紧凑密植株型在玉米生产中已经广泛应用,但其分子调控网络还未得到阐明。

叶夹角是决定玉米植株紧凑程度的主要性状,直接影响玉米群体冠层截光能力和群体光能利用率。叶夹角较小的玉米品种,群体上部透光率高,群体中下部叶片可处于较好的光照状态下,便于叶片充分高效利用光能,因而可以容纳更大密度的种植群体,获得更高的群体产量。田丰教授课题组利用一套由玉米自交系W22与玉米野生种大刍草(CIMMT 8759)为亲本杂交衍生得到的渗入系群体,对叶夹角进行了QTL定位分析,并对位于玉米第1、2染色体上的两个主效QTL-UPA1(Upright Plant Architecture1)和UPA2进行了精细定位和克隆。研究发现,UPA2的功能变异是一个2bp核苷酸插入/缺失,其作为cis变异调控下游9.5Kb的B3转录因子ZmRAVL1的表达;UPA1的功能基因是参与油菜素内酯(BR)合成途

叶夹角是决定玉米植株紧凑程度的主要性状,直接影响玉米群体冠层截光能力和群体光能利用率。叶夹角较小的玉米品种,群体上部透光率高,群体中下部叶片可处于较好的光照状态下,便于叶片充分高效利用光能,因而可以容纳更大密度的种植群体,获得更高的群体产量。田丰教授课题组利用一套由玉米自交系W22与玉米野生种大刍草(CIMMT 8759)为亲本杂交衍生得到的渗入系群体,对叶夹角进行了QTL定位分析,并对位于玉米第1、2染色体上的两个主效QTL-UPA1(Upright Plant Architecture1)和UPA2进行了精细定位和克隆。研究发现,UPA2的功能变异是一个2bp核苷酸插入/缺失,其作为cis变异调控下游9.5Kb的B3转录因子ZmRAVL1的表达;UPA1的功能基因是参与油菜素内酯(BR)合成途径的基因brd1。功能分析发现,大刍草UPA2等位基因具有与玉米叶片发育基因DRL1更强的结合能力,DRL1可与玉米无叶舌基因LG1互作并抑制LG1对ZmRAVL1的激活作用,导致下游基因brd1的表达下调,进而降低叶环处内源BR水平,影响叶耳细胞的增殖,最终导致叶夹角减小,株型趋于紧凑(图1)。

图1 玉米叶夹角遗传和分子调控网络

玉米是大约 9000 年前由分布于墨西哥西南部的大刍草驯化而来。在其驯化过程中,由于遗传瓶颈效应和选择作用,玉米丢失了大刍草~30%的遗传多样性,其丢失的遗传多样性中可能包含可用于现代育种的优良等位基因。研究发现,UPA2上减小叶夹角的等位基因仅存在于大刍草中,在栽培玉米中已经完全丢失。田间试验表明,UPA2的大刍草近等基因系在密植条件下具有显著的增产效应。借助分子标记辅助选择,该研究将UPA2的大刍草等位基因回交导入到了优良玉米杂交种农大108双亲中,获得了携带UPA2大刍草等位基因的改良农大108。田间密植试验显示,改良农大108在密植条件下玉米籽粒产量显著增加。这些结果说明UPA2野生等位变异在当前密植高产育种中可能具有重要的利用价值,充分利用玉米野生种质资源是解决目前育种遗传基础狭窄的重要途径。该研究同时利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得了ZmRAVL1的敲除系,ZmRAVL1敲除系叶夹角减小,株型紧凑,并且没有其他不利表型。田间试验表明,ZmRAVL1敲除系在密植情况下具有显著的增产效应。同时,将携带Cas9载体的ZmRAVL1敲除系与不同骨干玉米自交系杂交,受到编辑的F1植株叶夹角减小,株型趋于紧凑。这些结果说明利用现代基因编辑技术直接编辑ZmRAVL1可快速产生紧凑株型用于玉米耐密高产育种。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/365/6454/658

 

田丰,中国农大教授 

教育经历: 

1998.9 - 2002.7  湖北农学院 ,学士

2002.9 - 2007.7 中国农业大学,博士

工作经历:

2007.8 - 2011.12 美国康奈尔大学生命科学院,博士后

2011.12 - 今 中国农业大学植物遗传育种学系,教授

2012年2月入选中组部第二批国家“青年千人计划” 

研究方向:

玉米驯化、适应遗传基础的系统解析

玉米重要驯化、适应位点的基因克隆和分子进化机制

玉米野生祖先种大刍草优良等位基因的发掘和利用

玉米复杂数量性状全基因组关联分析

2012年-2019年获得基金资助情况:

 

以上内容综合中国农大报道及科学网和国家基金委

iPlants微信公众号2019年8月19日

责任编辑:刘铮
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