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

  • 锦绣初冬

  • “世界市长对话·南京”举行 共话滨水城市未来

独家策划

推荐阅读
2025年度“十大”科普热词从科技、文化、社会等维度,综合勾勒出2025年我国科普事业发展、科技前沿动态、科学传播与社会文化融合的整体态势和核心方向。
2025-11-21 15:11
枫清科技与麒麟软件达成战略合作,双方将围绕AI技术创新、产品研发、市场拓展等方面开展深度合作,共同推动信创产业生态的完善与发展。
2025-11-21 13:13
走进国家重要野生植物种质资源库辰山中心种子冷库,零下20摄氏度的寒气扑面而来,一排排整齐编号的收纳容器中,是进入“深度睡眠”状态的各类野生植物种子。
2025-11-21 09:53
小雪时节,容易发生感冒、皮肤干燥、关节疼痛及咳嗽等不适,大多因为寒燥外袭、津液失调。
2025-11-21 09:52
当前,关于精神疾病与心理治疗,公众还有哪些常见误解?带着这些问题,本报记者采访了北京安定医院多位专家。
2025-11-21 09:49
2023年11月,“天衍”量子计算云平台正式发布,截至目前,访问量已突破3700万次,覆盖海内外60多个国家和地区的用户,实验任务数超过270万个。
2025-11-21 09:47
20日,记者从南京大学获悉,该校沈树忠院士团队的侯金波博士等人记录了湖北省通山县一处距今约5.4亿年的埃迪卡拉纪化石宝库,并将其命名为“通山特异埋藏化石库”。
2025-11-21 09:38
完成第一阶段6G技术试验,形成超过300项关键技术储备,资本加速布局6G生态……尽管6G网络预计将在2030年开始部署,但我国6G产业布局正加速铺开,呈现政策护航、技术攻坚、资本活跃的特征。
2025-11-20 09:11
谷山梁3吉瓦/12.8吉瓦时储能电站项目建成后,每年预计可向电网输送36亿千瓦时的清洁能源电力。“独立新型储能电站放电时为发电企业,充电时视同电力用户,电网的峰谷电价价差形成利润空间,吸引企业投身于此。
2025-11-20 09:11
中国第一辆蒸汽机车就诞生在我的家乡唐山。我为之骄傲。为此,大学学习机械制造与设计专业的我,毕业后,就一头扎进轨道交通检测设备研发领域。
2025-11-20 04:25
常有人说,发动机是火箭的“心脏”。而我从事的工作是,液体火箭发动机推力燃烧系统高精密产品的生产加工,所以大家都叫我“火箭心脏钻刻师”。
2025-11-20 04:25
四川全口径外送电量已超1.9万亿千瓦时。这一规模相当于江苏、浙江、安徽三省全年用电量之和,标志着四川落实“西电东送”能源战略取得丰硕成果,
2025-11-20 04:25
大国重器又传好消息!江门中微子实验(JUNO)装置建成运行仅两个月,就取得首个物理成果——测量太阳中微子振荡参数,结果比此前实验的最好精度提升了1.5~1.8倍。
2025-11-20 04:35
为促进卫星导航定位产业有序发展,维护国家地理信息安全,我国将对卫星导航定位基准站实行统一规划、统一标准、统一监管。针对目前基准站重复建设、存在数据安全隐患等主要问题,办法规定自然资源部会同有关部门制定全国基准站建设布局规划。
2025-11-19 09:52
18日,我国首个配置冷却塔的“华龙一号”核电机组——中广核山东招远核电项目1号机组顺利完成核岛第一罐混凝土浇筑,标志着该项目一期工程建设全面启动。
2025-11-19 09:51
2020年至2024年间,全球光热发电装机年复合增长率为4.24%,我国同期增长率达11.7%,显著高于全球水平;技术装备国产化率突破95%,释放出产业加速发展的强劲信号。
2025-11-19 05:35
科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼,科普与科技创新“同等重要”。
2025-11-19 05:55
日前,由清华大学产业发展与环境治理研究中心和自然科研智讯联合编制的《国际科技创新中心指数2025》报告正式发布。
2025-11-19 05:55
新疆的孩子们在“流动科学课”上被磁悬浮演示、机器人互动、矿物标本展示等吸引了目光;甘肃张掖的科技工作者为大伙儿演示经典科普实验“火焰掌”;上海的科学家们踏上科技节的红地毯赢得公众的掌声……这些生动场景共同勾勒出“十四五”期间我国科普事业的发展印记。
2025-11-19 05:55
如今,在学习中遇到问题可以问人工智能,写作业也可以用人工智能辅助查询信息。正如这名同学所言,生成式人工智能正改变传统的以知识积累和传递为中心的教学模式。
2025-11-18 10:28
加载更多