王海洋教授團隊揭示現代玉米遺傳改良“育種選擇指紋”

审核发布:宣传部 蒙丽 來源單位及審核人:生命科學學院 陳樂天 發布時間:2020-04-28浏覽次數:2428

  4月27日,我校生命科学学院、亚热带农业资源保护与利用國家重點實驗室、岭南现代农业科学与技术广东省实验室王海洋教授团队与中国农业科学院生物技术研究所和北京大学等单位合作在国际顶尖学术期刊Nature Genetics《自然-遗传学,IF5Y=31.077》在线发表了题为“Genome-wide selection and genetic improvement during modern maize breeding”的研究论文,揭示现代玉米遗传改良“育种选择指纹”。 (论文链接地址https://www.nature.com/articles/s41588-020-0616-3

  玉米是目前世界第一大农作物,广泛作为粮食、饲料和工业原材料。在过去几十年间,经过不断的耐密性品种改良与种植密度的提升,玉米单产有了成倍的增长,但对玉米现代育种过程中品种耐密性改良的遗传基础和选择规律尚未得到系统解析。为此,王海洋团队与中国农业科学院生物技术研究所和北京大学等多家单位合作,收集了近几十年来国内外不同育种时期广泛使用的350份玉米育种材料,经过2年4种环境表型分析,发现现代玉米育种过程中,玉米育种材料都经历了向更低穗位、更少雄穗分枝数、更紧凑叶夹角及更早开花期方向的趋同选择;进一步通过全基因组重测序,结合全基因组关联分析 (GWAS),挖掘到了233个与15个农艺性状有显著关联的遗传位点;鉴定到1,888个在现代玉米育种过程受选择的基因组区域(育种指纹),涉及近5000个功能基因;基因富集分析发现,现代玉米育种过程中主要选择了与生物胁迫抗性、非生物胁迫抗性、植物激素代谢及信号转导、光信号转导及开花期调控通路相关的基因。最后,研究者利用CRISPR/Cas9 技术创制了功能缺失突变体,证明了2个在现代玉米育种过程中受到选择的基因,ZmPIF3.3 和TSH4,分别在调控玉米株高(穗位高)和雄穗分枝数方面发挥重要作用。

  本研究明確了穗位、雄穗分枝數、葉夾角和開花期對于提高玉米耐密性的關鍵作用,爲今後耐密玉米品種培育提供了方向性的指引。同時利用生物信息學、群體遺傳學和分子生物學等研究手段,闡明了現代玉米育種過程中全基因組水平的選擇和遺傳改良規律,挖掘了一大批調控玉米耐密理想株型和抗逆性的關鍵候選基因,爲玉米耐密理想株型和抗性的改良、玉米雜交種親本的選擇和組配及全基因組分子選擇育種技術的研發提供重要的理論基礎和基因資源。本研究成果也可爲其他作物(如水稻、小麥等)遺傳育種規律的解析和優良基因挖掘提供有益的借鑒。

  该研究共同第一作者为中国农业科学院生物技术研究所王宝宝研究员、北京大学现代农学院博士研究生林泽川和生物技术研究所博士研究生李鑫,通讯作者为华南农业大学生命科学学院王海洋教授和北京大学现代农学院何航副研究员。该研究得到了国家重点研发计划、广东省基础研究和应用研究重大计划、国家转基因重大专项、国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程资助。(文图/生命科学学院 孔德鑫)

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  王海洋教授团队长期从事水稻和玉米耐密理论株型遗传和分子调控机理和作物新型育种技术的研究。2013年通过与万建民院士团队合作,发现了植物分蘖调控激素—独脚金内酯信号途径中人们长期寻找的一个关键信号元件-D53蛋白。D53蛋白具有抑制分蘖形成的作用,而独脚金内酯信号能够促进其降解,从而解除D53对植物分蘖的抑制作用。该研究不仅为阐明独脚金内酯的信号转导分子机理做出了卓越贡献,也为植物特别是农作物的株型改良(植物分蘖的生长发育)提供了重要的理论基础, 为育种家解决水稻籼粳亚种间杂交优势利用技术难题提供了帮助。研究成果以“ Research Article ”的形式发表在Nature上(Zhou等, 2013, Nature, 504: 406–410, 王海洋博士为共同通讯作者),并被评为“2014年中国科技十大进展”。2018年,与万建民院士团队合作克隆了一个控制野生稻与栽培稻杂种不亲和的主效位点qHMS7,揭示了该位点的自私遗传特性及其在植物基因组进化和物种形成中的关键作用,为利用基因工程/基因编辑手段打破水稻种间和籼粳亚种间杂交不亲和性,提高水稻杂种优势利用效率提供了可行的解决方案(Yu等,Science,2018, 8;360(6393):1130-1132;王海洋为共同通讯作者)。2009-2013年间,通过与企业合作,王海洋博士组建团队利用现代生物技术开发了新一代杂交水稻育种技术体系。该技术体系成功攻克了长期制约我国杂交水稻生产的瓶颈问题,即“三系”杂交稻亲本狭窄和 “两系”不育系育性不稳定问题(被袁隆平院士称为“第三代杂交水稻育种技术”),相关研究成果总结发表在国际知名期刊Genomics Proteomics Bioinformatics (Wang and Deng, 2018, (18)30432-7;王海洋博士为第一作者和共同通讯作者)。针对传统作物定向改良的育种方法周期长、效率低的瓶颈问题,王海洋博士带领团队巧妙地将单倍体诱导与基因编辑技术结合起来,开发了“单倍体介导的基因编辑技术(IMGE)。该方法的技术路线是利用回交或遗传转化的方法将CRISPR/Cas9载体导入单倍体诱导系中,之后利用携带有CRISPR/Cas9载体的单倍体诱导系作为父本与商业化自交系杂交,获得单倍体,然后根据目标性状的变化和测序分析筛选出靶位点被编辑的单倍体,最后通过人工或自然染色体加倍获得纯合的经过基因编辑的二倍体植株,从而实现在两代(1年)内创制性状改良且不含转基因成分的商业化种质双单倍体品系,大大加速作物育种的进程。研究成果已经在国际知名学术期刊Molecular Plant杂志上发表 (Wang et al., 2019,Molecular Plant, 12(4):597-602;王海洋博士为通讯作者),并被Web of Science评为“高被引论文”。鉴于该技术在加速水稻、小麦、大麦等其他作物的育种进程中具有广泛的应用前景,被业界称为“下一代作物育种技术”。(Ye and Cui, 2019, Molecular Plant, 12:470-471)。这些研究成果为我国水稻和玉米突破性新品种的培育提供理论指导、基因资源和技术支撑。  

 

 

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