点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:黄金组合深挖玉米新基因助力种质改良
首页> 科普频道> 科普头条 > 正文

黄金组合深挖玉米新基因助力种质改良

来源:中国科学报2021-07-20 09:02

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  对RP125的EMS化学突变体库进行控制授粉。受访者供图

  高质量基因组结合同背景的突变体库可助力基因挖掘和功能研究,为玉米遗传研究和作物改良提供新的种质资源。

  7月13日,《植物杂志》(The Plant Journal)在线发表了多个团队合作研究的最新成果。他们从头组装了第一个我国玉米自交系的高质量参考基因组,并在该背景下创制了表型变异丰富的突变体库。借助于二者黄金组合,该团队克隆了一系列基因,并对其中一个新基因的功能进行了解析。

  首个国内优良自交系基因组的高质量组装

  玉米是世界上最重要的农作物之一,在适应不同生境的过程中,产生了种类繁多的玉米自交系。这些自交系是玉米育种依赖的重要种质资源。

  “由于玉米具有丰富的遗传多样性,准确的基因组和注释信息是作物改良和全基因组精准鉴定的基础。”论文共同通讯作者、山东农业大学教授张志明告诉《中国科学报》,自2009年玉米自交系B73的参考基因组发布以来,北美、南美和欧洲的其他几个重要自交系已经测序并组装完成,而国内只有少数自交系具有基因组信息。

  “很多在中国和亚洲地区广泛使用的优良育种系还没有高质量的基因组信息。”论文共同通讯作者、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所研究员吴庆钰说,亟待挖掘新的玉米自交系基因组信息,从而丰富玉米种质资源。

  论文共同通讯作者、山东大学教授徐芳告诉《中国科学报》,自交系RP125由中国工程院院士、四川农业大学玉米研究所教授荣廷昭,以及该所教授潘光堂选育,是西南玉米产区骨干自交系,其来源于川单9号太空诱变后群体分离出的不育株与多个杂交种的遗传重组后代。

  徐芳介绍,RP125广泛适应不同的生态区,其雌雄花在不同纬度下能同步发育,发达的根系可有效利用土壤肥力,产量达7500 kg每公顷左右;同时,RP125抵抗包括玉米叶斑病、丝黑穗病和青枯病等在内的多种病原菌。而且,利用RP125为亲本,已经选育出5个性状优良的杂交种。

  因此,该团队对玉米自交系RP125的参考基因组进行了从头组装、功能注释和序列比对,经修正和系列质检表明,组装质量优良。共获得43098个高置信度的蛋白质编码基因,其中42930个(占99.61%)分布在10条染色体上。

  张志明说,RP125基因组与B73、W22和Mo17等自交系的基因组整体比较,揭示了大量单核苷酸多态性和结构变异,但基因组间整体存在良好的共线性,表明RP125与其他自交系间具有较大遗传差异,但整体遗传稳定。

  “这是国内第一个从头组装的国内玉米自交系高质量基因组图谱,将为作物改良和全基因组精准鉴定提供有价值的资源。”张志明说。

  相同遗传背景下的突变体库创制

  RP125玉米突变体库的创制流程及表型分类。受访者供图

  有了高质量基因组图谱,在遗传研究中,为了获得某一基因或位点的功能,科学家会将该基因或位点突变,从而形成突变体。“突变体种质资源的创制、鉴定和应用是玉米功能基因挖掘和遗传解析的基础。”张志明说。

  突变体是相对于野生型而言的。野生玉米包含有大约4万多个基因,其中任何一个基因发生突变都能成为一个突变体。

  目前,科学家创制突变体,主要有几种方法,包括EMS化学诱变、Mu转座子插入和CRISPR/Cas基因编辑等。每种方法都能创制很多突变体,这些突变体就组成了突变体库。例如,以B73自交系为背景创制的化学诱变突变体库、以W22自交系为背景的转座子插入突变体库和以KN5585自交系为背景的基因编辑突变体库等。

  “这些突变体库对玉米功能基因及分子遗传研究具有极大的促进作用。”张志明说,大量玉米突变体的收集将有利于新基因克隆,加速玉米的生物学研究。由于不同玉米品种间基因组的巨大差异,突变体表型的穿透力可能受到影响,并且在某些自交系的遗传背景下突变表型可能被掩盖,不同优良自交系的突变体文库构建仍然十分必要。

  “我国自交系和国外还是有很大差别的。我们国家自己的自交系还是应该加强从头组装。”徐芳说。在这项研究中,他们使用的是化学诱变方法,创制了5818个突变体材料,组成了突变体库。

  徐芳说,由于并不是每个基因的突变都会导致明显的表型,他们从中筛选鉴定出946个有明显表型变异且稳定遗传的突变体材料,并按照籽粒大小、籽粒灌浆、株高、类病斑、叶色、籽粒颜色、穗型和叶型等20种表型分类。

  吴庆钰告诉《中国科学报》,化学突变体库具有创制简单、成本低、诱变效率高等优点,具有广泛的应用潜力,是一种门槛最低的创制突变体的方法。

  黄金组合:高质量基因组和突变体库

  “将自交系RP125的高质量基因组与相同遗传背景下的突变体库相结合,对挖掘新的功能基因及分离出理想的等位变异,丰富玉米的遗传多样性及推动育种进程具有重要意义。”吴庆钰说,高质量基因组和突变体库组成的黄金组合,非常有利于新基因的克隆鉴定。

  吴庆钰向《中国科学报》打了一个比喻,突变体库里蕴涵着大量的基因宝藏,定位基因的过程像是大海捞针。高质量玉米基因组相当于提供了一个高精度地图,能帮助科学家快速地定位到宝藏基因所在的位置。

  结合RP125的高质量参考基因组序列,他们成功地从突变体文库中鉴定到10个等位突变,其中9个为已发表经典突变体的等位突变,但是突变的类型和此前发现的不一样。

  从突变体库中克隆到已知基因的不同等位突变。受访者供图

  “其中一个基因是调控籽粒灌浆的新基因QK1。”吴庆钰介绍,他们发现,QK1为定位在2号染色体的隐性单基因,突变后呈现胚乳特定部位淀粉部分缺失,淀粉含量减少,胚乳结构松散的表型。对该基因突变后发现,胚乳中铁和活性氧的积累以及线粒体呈现铁死亡特征,推测可能为铁过量导致细胞离子平衡破坏,进而影响籽粒发育和灌浆缺陷。

  “这是一个新的调控籽粒发育和灌浆的基因,初步揭示了一种与已知的灌浆调控模式均不相同的新调控方式,首次提供了金属耐受蛋白MTP参与玉米籽粒灌浆的证据,同时明确了铁元素对籽粒发育和灌浆起重要调控作用。”吴庆钰说。

  qk1突变体的籽粒表型。受访者供图

  “我们创制的RP125突变体库表型变异丰富,是玉米生物学基础研究和育种实践的宝贵种质资源。此外,该突变体库的遗传背景——自交系RP125,具有生态适应性广、抗病及抗逆性强等特点,有利于不同地区的科研工作者开展研究,在该背景下能表现出其他自交系中没有的表型,有利于新基因的发掘和研究。同时,突变体库中一些性状的优异等位变异也为玉米遗传改良和新品种培育提供了重要的种质资源。”张志明说。

  本研究得到了国家转基因重大项目、国家自然科学基金、山东省泰山学者计划、山东省自然科学基金和中国农业科学院创新工程的资助。(李晨)

  相关论文信息:https://doi.org/10.1111/tpj.15421

  基因组资源公布于NCBI(PRJNA598426)和中国科学院北京基因组研究所大数据中心(PRJCA002331,GWHACCD00000000)。突变体资源公布于http://emsdb.sdau.edu.cn

[ 责编:赵清建 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 中美“乒乓外交”55周年纪念大会暨中美青少年体育交流系列活动启动仪式在京举行

  • 长沙举行首届中药农业博览会

独家策划

推荐阅读
我们并不缺成果、人才与产业雄心,真正要补上的,是那批能将成果带过“最后一公里”的人
2026-04-10 14:38
春风送暖,踏青正当时,但接连不断的喷嚏、鼻痒、眼痒等过敏症状,却让不少人的春日心情打了折扣。
2026-04-10 10:30
“四月不减肥,五月徒伤悲。”春暖花开,网上晒运动、轻食的人多了起来。不少人把减重当作迎接春天的第一件事,尤其对很多女性而言,拥有理想身材的第一步就是减重。
2026-04-10 10:28
9日,国家卫生健康委、中央社会工作部、中央政法委等25部门联合印发《健全社会心理服务体系和危机干预机制实施方案》,部署5方面18项主要任务,明确到2030年基本健全覆盖全人群、全生命周期的社会心理服务体系和危机干预机制。
2026-04-10 09:56
新华社北京4月9日电第十四届全国人民代表大会第四次会议通过了《中华人民共和国生态环境法典》,法典单行本已由人民出版社出版,即日起在全国新华书店发行。
2026-04-10 09:56
就说春耕:老把式一手扶犁,一手扬鞭,汗水顺着脊背往下淌……  再看今朝:铁牛代替了水牛,无人机施肥撒药,手机指挥收割浇水,早已不再是新闻。相信随着越来越多的新技术、新方法走进田野,干农业会越来越安逸,农业这碗饭会越来越有嚼头。
2026-04-10 09:56
人工智能时代,我们如何更好就业创业?如何推动人工智能与就业创业深度融合?第四期光明智库民生论坛,我们邀请专家共同探讨人工智能时代的就业创业这一新课题。
2026-04-09 10:28
2026年的智能驾驶行业,正经历一场意味深长的路线分化。
2026-04-09 10:24
在贵州,无人机的身影成为山地农业的新风景,展现出通用航空业赋能山地农业高质量发展的广阔前景。
2026-04-09 10:12
碳排放看不见、摸不着,却关乎每一场国际气候谈判、每一笔碳关税账单。
2026-04-09 10:09
人工智能在延伸人类能力的同时,也深刻改变着就业创业形态和劳动力市场结构。我们既拥抱着技术进步带来的无限可能,也要理性审视挑战、主动适应变革。
2026-04-09 10:08
构建“科研—科普—科创”融合闭环,让科普全程嵌入新质生产力培育链条,方能破解成果转化低效、创新协同不足等突出问题。
2026-04-09 10:02
从实验室到田间地头,辽宁省农科院为科研院所、高校、种业企业等单位提供种质资源共享服务,打通种质资源转化的“最后一公里”,让良种真正走进千家万户。
2026-04-09 09:50
北京大学先进制造与机器人学院刘珂课题组与杨林课题组合作,从折纸艺术中获得灵感,成功实现了无需外部输入的电子器件智能温度控制,相关指标刷新世界纪录。
2026-04-09 09:47
最近,中国海洋大学教授、青岛海洋生物医药研究院首席科学家于广利远赴智利,只为一株南极褐藻。2014年,青岛海洋生物医药研究院正式运行,BG136成为其孵化的第一个海洋新药项目。
2026-04-08 09:51
4月7日,贵州省贵阳市,北京积水潭医院贵州医院医生在指导患者进行脑机接口康复训练。信息多跑路、群众少跑腿的背后,是西青区紧密型医共体数据互通共享,让信息实时对接、问题协同处置。
2026-04-08 09:49
绿色获得感,源自对优美生态最直观的感受,是看得见、摸得着的民生福祉。绿色获得感,源自生态与产业共促,让绿水青山成为富民兴业的金山银山。绿色获得感,源自城乡融合发展,让良好生态空间全民共享。
2026-04-08 09:44
2月5日,自然资源部组织的中国第42次南极考察队在东南极麒麟冰下湖区域,成功完成我国首次南极冰层热水钻探试验,突破国际极地热水钻探2540米的最深纪录,标志着我国具备在90%以上的南极冰盖和全部北极冰盖开展钻探研究的能力。
2026-04-08 09:43
当前,我国已进入中度老龄化阶段,失能、失智、高龄老年人逐年增多,养老服务需求呈现专业化、多样化、个性化特征。
2026-04-08 09:41
黄色的花在春天更早绽放,是植物经历数亿年的自然进化形成的一系列生存策略。
2026-04-07 10:29
加载更多