高質(zhì)量基因組結(jié)合同背景的突變體庫可助力基因挖掘和功能研究，為玉米遺傳研究和作物改良提供新的種質(zhì)資源。

近日，《植物雜志》在線發(fā)表了多個團(tuán)隊合作研究的最新成果。他們從頭組裝了我國第一個玉米自交系的高質(zhì)量參考基因組，并在該背景下創(chuàng)制了表型變異豐富的突變體庫。借助于二者黃金組合，該團(tuán)隊克隆了一系列基因，并對其中一個新基因的功能進(jìn)行了解析。

國內(nèi)首個優(yōu)良自交系基因組的高質(zhì)量組裝

玉米是世界上最重要的農(nóng)作物之一，在適應(yīng)不同生境的過程中，產(chǎn)生了種類繁多的玉米自交系。這些自交系是玉米育種依賴的重要種質(zhì)資源。

“由于玉米具有豐富的遺傳多樣性，準(zhǔn)確的基因組和注釋信息是作物改良和全基因組精準(zhǔn)鑒定的基礎(chǔ)。”論文共同通訊作者、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授張志明告訴《中國科學(xué)報》，自2009年玉米自交系B73的參考基因組發(fā)布以來，北美、南美和歐洲的其他幾個重要自交系已經(jīng)測序并組裝完成，而國內(nèi)只有少數(shù)自交系具有基因組信息。

“很多在中國和亞洲地區(qū)廣泛使用的優(yōu)良育種系還沒有高質(zhì)量的基因組信息。”論文共同通訊作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員吳慶鈺說，亟待挖掘新的玉米自交系基因組信息，從而豐富玉米種質(zhì)資源。

論文共同通訊作者、山東大學(xué)教授徐芳告訴《中國科學(xué)報》，自交系RP125由中國工程院院士、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所教授榮廷昭，以及該所教授潘光堂選育，是西南玉米產(chǎn)區(qū)骨干自交系，其來源于川單9號太空誘變后群體分離出的不育株與多個雜交種的遺傳重組后代。

徐芳介紹，RP125廣泛適應(yīng)不同的生態(tài)區(qū)，其雌雄花在不同緯度下能同步發(fā)育，發(fā)達(dá)的根系可有效利用土壤肥力，產(chǎn)量達(dá)7500公斤/公頃左右;同時，RP125抵抗包括玉米葉斑病、絲黑穗病和青枯病等在內(nèi)的多種病原菌。而且，利用RP125為親本，已經(jīng)選育出5個性狀優(yōu)良的雜交種。

因此，該團(tuán)隊對玉米自交系RP125的參考基因組進(jìn)行了從頭組裝、功能注釋和序列比對，經(jīng)修正和系列質(zhì)檢表明，組裝質(zhì)量優(yōu)良。共獲得43098個高置信度的蛋白質(zhì)編碼基因，其中42930個(占99.61%)分布在10條染色體上。

張志明認(rèn)為，RP125基因組與B73、W22和Mo17等自交系的基因組整體比較，揭示了大量單核苷酸多態(tài)性和結(jié)構(gòu)變異，但基因組間整體存在良好的共線性，表明RP125與其他自交系間具有較大遺傳差異，但整體遺傳穩(wěn)定。

“這是國內(nèi)第一個從頭組裝的玉米自交系高質(zhì)量基因組圖譜，將為作物改良和全基因組精準(zhǔn)鑒定提供有價值的資源。”張志明說。

相同遺傳背景下的突變體庫創(chuàng)制

有了高質(zhì)量基因組圖譜，在遺傳研究中，為了獲得某一基因或位點(diǎn)的功能，科學(xué)家會將該基因或位點(diǎn)突變，從而形成突變體。“突變體種質(zhì)資源的創(chuàng)制、鑒定和應(yīng)用是玉米功能基因挖掘和遺傳解析的基礎(chǔ)。”張志明說。

突變體是相對于野生型而言的。野生玉米包含有大約4萬多個基因，其中任何一個基因發(fā)生突變都能成為一個突變體。

目前，科學(xué)家創(chuàng)制突變體，主要有幾種方法，包括EMS化學(xué)誘變、Mu轉(zhuǎn)座子插入和CRISPR/Cas基因編輯等。每種方法都能創(chuàng)制很多突變體，這些突變體就組成了突變體庫。例如，以B73自交系為背景創(chuàng)制的化學(xué)誘變突變體庫、以W22自交系為背景的轉(zhuǎn)座子插入突變體庫和以KN5585自交系為背景的基因編輯突變體庫等。

“這些突變體庫對玉米功能基因及分子遺傳研究具有極大的促進(jìn)作用。”張志明說，大量玉米突變體的收集將有利于新基因克隆，加速玉米的生物學(xué)研究。由于不同玉米品種間基因組的巨大差異，突變體表型的穿透力可能受到影響，并且在某些自交系的遺傳背景下突變表型可能被掩蓋，不同優(yōu)良自交系的突變體文庫構(gòu)建仍然十分必要。

“我國自交系和國外有很大差別。我們國家自己的自交系應(yīng)該加強(qiáng)從頭組裝。”徐芳說。在這項研究中，他們使用的是化學(xué)誘變方法，創(chuàng)制了5818個突變體材料，組成了突變體庫。

徐芳說，由于并不是每個基因的突變都會導(dǎo)致明顯的表型，他們從中篩選鑒定出946個有明顯表型變異且穩(wěn)定遺傳的突變體材料，并按照籽粒大小、籽粒灌漿、株高、類病斑、葉色、籽粒顏色、穗型和葉型等20種表型分類。

吳慶鈺告訴《中國科學(xué)報》，化學(xué)突變體庫具有創(chuàng)制簡單、成本低、誘變效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用潛力，是一種門檻最低的創(chuàng)制突變體的方法。

黃金組合：高質(zhì)量基因組和突變體庫

“將自交系RP125的高質(zhì)量基因組與相同遺傳背景下的突變體庫相結(jié)合，對挖掘出新的功能基因及分離出理想的等位變異，豐富玉米的遺傳多樣性及推動育種進(jìn)程具有重要意義。”吳慶鈺說，高質(zhì)量基因組和突變體庫組成的黃金組合，非常有利于新基因的克隆鑒定。

在吳慶鈺看來，突變體庫里蘊(yùn)涵著大量的基因?qū)毑?，定位基因的過程像是大海撈針。高質(zhì)量玉米基因組相當(dāng)于提供了一個高精度地圖，能幫助科學(xué)家快速地定位到寶藏基因所在的位置。

結(jié)合RP125的高質(zhì)量參考基因組序列，他們成功地從突變體文庫中鑒定到10個等位突變，其中9個為已發(fā)表經(jīng)典突變體的等位突變，但是突變的類型和此前發(fā)現(xiàn)的不一樣。

“其中一個基因是調(diào)控籽粒灌漿的新基因QK1。”吳慶鈺介紹，他們發(fā)現(xiàn)，QK1為定位在2號染色體的隱性單基因，突變后呈現(xiàn)胚乳特定部位淀粉部分缺失、淀粉含量減少、胚乳結(jié)構(gòu)松散的表型。對該基因突變后發(fā)現(xiàn)，胚乳中鐵和活性氧的積累以及線粒體呈現(xiàn)鐵死亡特征，推測可能為鐵過量導(dǎo)致細(xì)胞離子平衡破壞，進(jìn)而影響籽粒發(fā)育和灌漿缺陷。

“這是一個新的調(diào)控籽粒發(fā)育和灌漿的基因，初步揭示了一種與已知的灌漿調(diào)控模式均不相同的新調(diào)控方式，首次提供了金屬耐受蛋白MTP參與玉米籽粒灌漿的證據(jù)，同時明確了鐵元素對籽粒發(fā)育和灌漿起重要調(diào)控作用。”吳慶鈺說。

“我們創(chuàng)制的RP125突變體庫表型變異豐富，是玉米生物學(xué)基礎(chǔ)研究和育種實(shí)踐的寶貴種質(zhì)資源。此外，該突變體庫的遺傳背景——自交系RP125，具有生態(tài)適應(yīng)性廣、抗病及抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，有利于不同地區(qū)的科研工作者開展研究，在該背景下能表現(xiàn)出其他自交系中沒有的表型，有利于新基因的發(fā)掘和研究。同時，突變體庫中一些性狀的優(yōu)異等位變異也為玉米遺傳改良和新品種培育提供了重要的種質(zhì)資源。”張志明說。(記者 李晨)

關(guān)鍵詞： 玉米新基 高質(zhì)量基因 突變體庫 基因挖掘