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kpl外围院王海洋教授团队揭示现代玉米遗传改良“育种选择指纹”

发布者: 生命科学学院发布时间: 2019-04-27浏览次数: 273


        427日,kpl外围院王海洋教授团队与中国农业科学院和北京大学等单位合作在国际顶尖学术期刊Nature Genetics《自然-遗传学,IF5Y=31.077在线发表了题为Genome-wide selection and genetic improvement during modern maize breeding的研究论文(论文链接地址,揭示现代玉米遗传改良“育种选择指纹”。

         

        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,经过不断的耐密性品种改良与种植密度的提升,玉米单产有了成倍的增长,但对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得到系统解析。为此,王海洋团队与中国农业科学院生物技术研究所和北京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24种环境表型分析,发现现代玉米育种过程中,玉米育种材料都经历了向更低穗位、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;进一步通过全基因组重测序,结合全基因组关联分析 (GWAS),挖掘到了233个与15个农艺性状有显著关联的遗传位点;鉴定到1,888个在现代玉米育种过程受选择的基因组区域(育种指纹),涉及近5000个功能基因基因富集分析发现,现代玉米育种过程中主要选择了与生物胁迫抗性、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 技术创制了功能缺失突变体,证明了2个在现代玉米育种过程中受到选择的基因,ZmPIF3.3 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,为今后耐密玉米品种培育提供了方向性的指引。同时利用生物信息学、群体遗传学和分子生物学等研究手段,阐明了现代玉米育种过程中全基因组水平的选择和遗传改良规律,挖掘了一大批调控玉米耐密理想株型和抗逆性的关键候选基因,为玉米耐密理想株型和抗性的改良、玉米杂交种亲本的选择和组配及全基因组分子选择育种技术的研发提供重要的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的借鉴。

        该研究共同第一作者为中国农业科学院生物技术研究所王宝宝研究员、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,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。该研究得到了国家重点研发计划、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。

图1 现代玉米育种过程中,玉米自交系都向着更紧凑的叶夹角 (LAULAL)

更少的雄穗分枝数 (TBN)、更低的穗位 (EHEP) 等方向选择


图2 现代玉米育种过程中的全基因组选择分析







(文图/生命科学学院 孔德鑫


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