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

  • 新建上海至南京至合肥高速铁路建设加速 全新南通站亮相展雄姿

  • 第81届联大开幕 聚焦重建信任和管理变革

独家策划

推荐阅读
费马大定理是过去半个世纪最负盛名的数学成果之一。
2026-09-09 09:04
当前,世界百年变局加速演进,新一轮科技革命和产业变革深入发展,人工智能作为引领时代变革的关键技术,正在重塑生产方式、生活方式和国际竞争格局,蕴藏着造福全人类的巨大潜能。
2026-09-09 08:56
文物科研工作长期建立在小范围观察、小样本归纳、小视角判断的认知链条上,高度依赖研究者的个人禀赋与经验积累。
2026-09-09 08:55
最近一个月,郭守敬望远镜再次令世界瞩目:为4万余颗贫金属红巨星精确测距,找到9个超高速星候选体,构建了近10万颗恒星的AI标注数据集。
2026-09-09 08:51
磷是植物生长必需的大量营养元素,可土壤里的磷大多“锁”在难溶的矿物和有机质里。土壤并不缺磷,植物却常常“够不着”。
2026-09-09 08:48
9月7日,工业和信息化部印发《信息通信行业发展“十五五”规划》,其中提到,“探索太空算力技术前瞻研究”。
2026-09-09 09:21
手机为什么突然集体涨价?答案不在手机行业
2026-09-09 09:13
慕思以“焕活芯生,越睡越懂你”为主题发布年度新品。
2026-09-08 21:10
金星没有卫星。但预印本平台arXiv近日公布的一项模拟研究显示,它在近20亿年的时间里可能拥有过一颗卫星,直到最后将其吞噬。厘清这一过程,有助于了解金星过去的宜居性。
2026-09-08 10:19
近日,生态环境部、科技部、中国人民银行、国务院国资委、金融监管总局等五部门联合印发《关于推动生态环境领域科技创新多元化投入的指导意见》。
2026-09-08 10:13
近日,由中国科学院紫金山天文台、国家天文台、清华大学等组成的研究团队,利用“中国天眼”(FAST)、南非MeerKAT射电望远镜和加拿大—法国—夏威夷光学望远镜,首次在银河系一个古老疏散星团的潮汐尾中直接识别出一颗脉冲星。
2026-09-08 10:04
日前,在国家科技传播中心举办的“新天工开物”科技成就发布会上,曹新有带来了三粒麦种——“济麦22”“济南17”“济麦44”,它们种出的麦子,可不止香在嘴里。
2026-09-08 10:03
北京大学城市与环境学院彭书时、物理学院沈路路研究团队联手国内外合作者首次阐明了甲烷“平台期”的维持机制:排放在涨,只是大气里清甲烷的“清洁队”恰好扩编了。
2026-09-08 10:02
从丝绸、茶叶、瓷器、中药,到酿造、工艺美术、文房四宝,这些文化底蕴深厚的中华传统特色产业均属于历史经典产业。
2026-09-07 17:14
延续已久的“手工科研”模式正在被一种全新的力量改写。
2026-09-07 16:44
一根通体透明的“玻璃棒”——看着像玻璃,其实它叫光纤预制棒,是生产光纤的核心原材料。2011年,我们开启了基于VAD(轴向气相沉积法)/OVD(棒外化学气相沉积法)工艺的大尺寸光纤预制棒自主研发的漫长征途。
2026-09-07 09:40
脑机接口是在大脑与外部设备之间建立直接信息通路的技术系统。“‘北脑一号’的初始版本采用128通道无线全植入柔性电极,电极贴附在硬脑膜外,兼顾安全性和有效性。”罗敏敏说,在可预见的未来,脑机接口有望实现从人脑与人工智能、机器人深度协同,拓展到健康人群的认知、感知增强等。
2026-09-07 09:38
距今约5000至4000年,大麦、小麦、牛与羊等驯化动植物在亚欧大陆的东西两端双向流动,构建起史前时期一幅跨大陆农牧业交流图景。“这表明,麦作农业和技术自新月沃地传入甘肃,可能并不直接伴随着来自西方的大规模人群流入。
2026-09-07 09:29
火红的钢坯从连铸机中源源不断送出,切割枪落下,每一段坯料的目标误差控制在0.2%以内,不超过一根头发丝的直径。从人工经验到数据驱动,从单点突破到全流程协同,从单一学科到交叉融合,安徽工业大学正在为钢铁行业装上“智慧大脑”。
2026-09-07 09:25
2016年,我到法国留学攻读应用科学与技术博士学位。回国后我进入人形机器人领域,发现品牌思维已深入人心。
2026-09-07 09:24
加载更多