華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在Nature Biotechnology雜志發(fā)表研究長(zhǎng)文，為玉米高抗高產(chǎn)精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)育種奠定了理論基礎(chǔ)，提供了優(yōu)異基因資源。

玉米是我國(guó)第一大糧食作物，對(duì)保障國(guó)家糧食安全至關(guān)重要。我國(guó)玉米北方產(chǎn)區(qū)主要是干旱與半干旱地區(qū)，近年來(lái)湖北等南方玉米產(chǎn)區(qū)干旱災(zāi)害也呈現(xiàn)出多發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢(shì)。培育高抗高產(chǎn)玉米對(duì)國(guó)家、對(duì)湖北省保糧增收、保障糧食安全至關(guān)重要。

近百年來(lái)，育種專家將玉米產(chǎn)量大幅提高，但伴隨而來(lái)的是玉米抗旱性的顯著下降。找到控制產(chǎn)量性狀的干旱脅迫應(yīng)答負(fù)調(diào)控位點(diǎn)并揭示其作用機(jī)制，是高抗高產(chǎn)作物育種面臨的重大瓶頸科學(xué)問(wèn)題。

此次，華中農(nóng)大作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室代明球教授、李林教授課題組，聯(lián)合湖北洪山實(shí)驗(yàn)室、園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李峰教授課題組在《自然—生物技術(shù)》雜志(Nature Biotechnology)發(fā)表了題為“The role of transposon invertedrepeats in balancing drought tolerance and yield-related traits in maize”的研究長(zhǎng)文，就是利用多組學(xué)和基因編輯策略，詳細(xì)闡述了玉米產(chǎn)量和抗性平衡的遺傳與分子機(jī)制，為玉米高抗高產(chǎn)精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)育種奠定了理論基礎(chǔ)，提供了優(yōu)異基因資源，該玉米抗旱研究從2013年起，歷時(shí)九年完成，只為國(guó)家糧食安全、玉米種業(yè)安全。

小RNA(sRNA)是一類短片段的非編碼RNA，在真核生物中廣泛存在。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，小RNA(sRNA)能夠精準(zhǔn)識(shí)別靶標(biāo)基因，并調(diào)控其表達(dá)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高通量測(cè)序，獲得了338份玉米關(guān)聯(lián)群體在正常澆水和干旱脅迫生長(zhǎng)條件下的sRNA表達(dá)組和其中197份群體的轉(zhuǎn)錄組，并通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析(eGWAS)定位到六千來(lái)個(gè)調(diào)控這些sRNA表達(dá)的eQTL位點(diǎn)。

為了進(jìn)一步解析作物產(chǎn)量和環(huán)境適應(yīng)性分子調(diào)控機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)克隆了8號(hào)染色體上一個(gè)干旱特異性超級(jí)熱點(diǎn)eQTL DRESH8，該熱點(diǎn)eQTL與上千個(gè)sRNA表達(dá)相關(guān)，這一研究過(guò)程就好比一網(wǎng)下去撈上來(lái)許多魚，而DRESH8是其中一條大魚。

DRESH8通過(guò)其產(chǎn)生的sRNA來(lái)調(diào)控靶標(biāo)基因的表達(dá)進(jìn)而抑制玉米抗旱

為了驗(yàn)證DRESH8的功能，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)基因編輯方法，用基因剪刀切割后，獲得了缺失DRESH8的轉(zhuǎn)基因玉米，發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)基因玉米比野生型對(duì)照玉米更抗旱，但產(chǎn)量更低，這表明DRESH8存在有利于產(chǎn)量但不利于抗旱，即DRESH8介導(dǎo)了耐旱性和產(chǎn)量性狀之間的平衡。

此外，有數(shù)十個(gè)eQTL熱點(diǎn)為TE-IR結(jié)構(gòu)變異，與DRESH8一樣，其產(chǎn)生的sRNA所調(diào)控的潛在靶基因富集到與產(chǎn)量和抗逆性相關(guān)的基因集中，表明TE-IR在調(diào)節(jié)玉米抗逆性與產(chǎn)量性狀平衡上具有普遍作用。這種由TE-IR結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的平衡機(jī)制，為通過(guò)基因組精準(zhǔn)設(shè)計(jì)來(lái)培育高抗高產(chǎn)作物鋪平了道路。

此項(xiàng)研究，在理論上闡明了多年來(lái)困擾育種專家的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，即作物如何平衡產(chǎn)量和抗性，研究成果為種業(yè)高抗高產(chǎn)遺傳育種奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。應(yīng)用上，該研究成果克隆到我國(guó)擁有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多個(gè)重要遺傳位點(diǎn)，這些遺傳位點(diǎn)(如DRESH8)為種業(yè)通過(guò)生物育種技術(shù)培育適合未來(lái)氣候變化的高產(chǎn)作物進(jìn)而保障國(guó)家糧食安全，提供了有重要應(yīng)用價(jià)值的遺傳操控靶點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì) 玉米高抗高產(chǎn)基因密碼 玉米高抗高產(chǎn)基因 玉米高抗高產(chǎn)