玉米是我國第一大糧食作物,對保障國家糧食安全至關(guān)重要。我國玉米北方產(chǎn)區(qū)主要是干旱與半干旱地區(qū),近年來湖北等南方玉米產(chǎn)區(qū)干旱災(zāi)害也呈現(xiàn)出多發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢。培育高抗高產(chǎn)玉米對國家、對湖北省保糧增收、保障糧食安全至關(guān)重要。

近百年來,育種專家將玉米產(chǎn)量大幅提高,但伴隨而來的是玉米抗旱性的顯著下降。找到控制產(chǎn)量性狀的干旱脅迫應(yīng)答負(fù)調(diào)控位點(diǎn)并揭示其作用機(jī)制,是高抗高產(chǎn)作物育種面臨的重大瓶頸科學(xué)問題。

此次,華中農(nóng)大作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室代明球教授、李林教授課題組,聯(lián)合湖北洪山實(shí)驗(yàn)室、園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李峰教授課題組在《自然-生物技術(shù)》雜志(Nature Biotechnology)發(fā)表了題為″The role of transposon invertedrepeats in balancing drought tolerance and yield-related traits in maize″的研究長文,就是利用多組學(xué)和基因編輯策略,詳細(xì)闡述了玉米產(chǎn)量和抗性平衡的遺傳與分子機(jī)制,為玉米高抗高產(chǎn)精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)育種奠定了理論基礎(chǔ),提供了優(yōu)異基因資源,該玉米抗旱研究從2013年起,歷時(shí)九年完成,只為國家糧食安全、玉米種業(yè)安全。

小RNA(sRNA)是一類短片段的非編碼RNA,在真核生物中廣泛存在。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),小RNA(sRNA)能夠精準(zhǔn)識別靶標(biāo)基因,并調(diào)控其表達(dá)。研究團(tuán)隊(duì)通過高通量測序,獲得了338份玉米關(guān)聯(lián)群體在正常澆水和干旱脅迫生長條件下的sRNA表達(dá)組和其中197份群體的轉(zhuǎn)錄組,并通過全基因組關(guān)聯(lián)分析(eGWAS)定位到六千來個(gè)調(diào)控這些sRNA表達(dá)的eQTL位點(diǎn)。

為了進(jìn)一步解析作物產(chǎn)量和環(huán)境適應(yīng)性分子調(diào)控機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)克隆了8號染色體上一個(gè)干旱特異性超級熱點(diǎn)eQTL DRESH8,該熱點(diǎn)eQTL與上千個(gè)sRNA表達(dá)相關(guān),這一研究過程就好比一網(wǎng)下去撈上來許多魚,而DRESH8是其中一條大魚。

DRESH8通過其產(chǎn)生的sRNA來調(diào)控靶標(biāo)基因的表達(dá)進(jìn)而抑制玉米抗旱

為了驗(yàn)證DRESH8的功能,研究團(tuán)隊(duì)通過基因編輯方法,用基因剪刀切割后,獲得了缺失DRESH8的轉(zhuǎn)基因玉米,發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)基因玉米比野生型對照玉米更抗旱,但產(chǎn)量更低,這表明DRESH8存在有利于產(chǎn)量但不利于抗旱,即DRESH8介導(dǎo)了耐旱性和產(chǎn)量性狀之間的平衡。

此外,有數(shù)十個(gè)eQTL熱點(diǎn)為TE-IR結(jié)構(gòu)變異,與DRESH8一樣,其產(chǎn)生的sRNA所調(diào)控的潛在靶基因富集到與產(chǎn)量和抗逆性相關(guān)的基因集中,表明TE-IR在調(diào)節(jié)玉米抗逆性與產(chǎn)量性狀平衡上具有普遍作用。這種由TE-IR結(jié)構(gòu)驅(qū)動的平衡機(jī)制,為通過基因組精準(zhǔn)設(shè)計(jì)來培育高抗高產(chǎn)作物鋪平了道路。

此項(xiàng)研究,在理論上闡明了多年來困擾育種專家的關(guān)鍵科學(xué)問題,即作物如何平衡產(chǎn)量和抗性,研究成果為種業(yè)高抗高產(chǎn)遺傳育種奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。應(yīng)用上,該研究成果克隆到我國擁有獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的多個(gè)重要遺傳位點(diǎn),這些遺傳位點(diǎn)(如DRESH8)為種業(yè)通過生物育種技術(shù)培育適合未來氣候變化的高產(chǎn)作物進(jìn)而保障國家糧食安全,提供了有重要應(yīng)用價(jià)值的遺傳操控靶點(diǎn)。