我国玉米生物学研究进展
2022-11-19王帅宋伟王荣焕赵久然
王帅, 宋伟, 王荣焕, 赵久然
(北京市农林科学院玉米研究所,玉米DNA指纹及分子育种北京市重点实验室,北京 100097)
玉米是我国种植面积较大,总产量较高的粮食和经济作物,在保障我国粮食安全的重大战略中占有重要地位。近年来,我国在玉米全基因组测序、优良农艺性状功能基因的挖掘与鉴定以及重要性状遗传调控网络等生物学研究方面取得了一系列重大的进展,为“玉米分子设计育种”的快速发展打下了坚实的基础。本文从玉米基因组学、玉米雄性不育遗传调控、玉米株型遗传调控、玉米籽粒发育遗传调控、玉米单倍体育种技术、玉米抗生物胁迫遗传调控、玉米抗非生物胁迫遗传调控、玉米种质资源相关基础研究、玉米分子遗传研究技术和平台共9个方面对近3年来我国玉米生物学研究的重大进展进行了总结,以期为今后玉米分子育种研究提供思路和参考。
1 玉米基因组学研究
玉米是生物学研究中的重要模式植物,高质量的参考基因组对后续的研究有重要的意义。中国农业大学赖锦盛团队完成对玉米骨干自交系Mo17 的高质量基因组的组装,大小为2.18 Gb,覆盖度高达97.4%,得到38 620个高质量注释基因[1]。北京市农林科学院玉米研究中心赵久然团队构建了中国玉米骨干自交系黄早四高质量基因组图谱,大小为2.2 Gb,预测40 893个编码基因,并揭示了玉米基因组变异和黄早四衍生系形成的遗传改良历史,是首次对中国的玉米骨干自交系完成的De Novo测序和基因组解析[2]。华中农业大学严建兵团队以热带小粒玉米品种(SK)为材料,组装了高质量的热带玉米参考基因组,大小为2.32 Gb,共获得了43 271个注释基因,进一步利用热带玉米SK、温带玉米B73 和Mo17 基因组,以及521 份玉米自交系的重测序数据构建了玉米的结构变异图谱,克隆了正向调控玉米粒重的基因ZmBAM1d[3]。上海交通大学王文琴团队与合作者组装了南非的优质蛋白玉米自交系K0326Y 高质量参考基因组[4]。中国农业大学国家玉米改良中心田丰团队与杨小红团队以368 份玉米自交系未成熟籽粒的转录组数据分析了玉米全基因组水平的可变剪接情况,并利用全基因组关联分析方法进行了可变剪接变异数量性状位点(quantitative trait locus,QTL)定位,揭示玉米可变剪接自然变异遗传调控机制[5]。山东农业大学李平华团队与合作者利用大规模转录因子数据重新构建了玉米叶片基因表达调控网络,分析了转录因子结合位点对叶片形态、吐丝开花等农艺性状的影响,解析了其在物种进化中的保守性和变化,提出了转录因子共结合是影响植物转录调控特异性的关键因素的新观点[6]。
2 玉米雄性不育遗传调控研究
玉米雄性不育系的利用是解决玉米杂交育种和制种过程中人工去雄的有效途径,可以降低制种成本、提高制种纯度和产量,具有非常重要的应用前景。北京科技大学万向元团队通过图位克隆得到玉米雄性不育突变体ms30-6028 的育性恢复基因ZmMs30,该基因编码新的GDSL(Gly-Asp-Ser-Leu)脂酶,在花药发育的第7~9 时期特异表达。ZmMs30功能缺失会引起玉米花药角质层和花粉外壁基足层正常发育所需脂类物质的不足,最终导致彻底的雄性不育。进一步研究发现,ms30不育基因在329 份不同遗传背景的玉米自交系中不育性稳定彻底,对多个重要农艺性状无负面影响,并且建立了基于不育基因ZmMs30的玉米多控不育技术(multi-control sterility,MCS)体系[7]。中国科学院遗传与发育生物学研究所陈化榜团队在玉米雄性不育方面取得了大量进展,与周奕华及薛勇彪团队合作首次成功克隆了控制玉米单向杂交不亲和现象的基因ZmGa1P,该基因编码在Ga1-S 和Ga1-M 型玉米自交系花药中特异表达的果胶甲脂酶(pectin methylesterase, PME);ZmGa1P 定位于花粉管顶端,与花粉管特异的PME 蛋白互作,共同维持花粉管正常的甲酯化修饰程度,以保障花粉管在Ga1-S 型花丝中的正常伸长,并最终受精结实。该研究为实现玉米无隔离杂交种制种、特用玉米与普通玉米以及转基因和非转基因玉米的生殖隔离创造了条件[8]。随后,陈化榜团队与北京市农林科学院玉米研究中心赵久然团队合作,报道了核编码的转录因子基因ZmDREB1.7,其调控玉米S 型细胞质雄性不育基因orf355表达并导致不育的分子机制。在花药中,ZmDREB1.7促进orf355表达,而orf355积累增强线粒体逆向信号,反过来促进ZmDREB1.7表达。因此ZmDREB1.7与orf355在S型玉米的小孢子中形成正反馈调控机制,最终导致orf355 蛋白的积累和败育[9]。近期,陈化榜团队利用图位克隆方法得到玉米雄性不育基因IPE2,该基因编码定位于内质网的GDSL 脂肪酶,在花药发育的四分体期和小孢子释放期特异表达;IPE2基因功能缺失导致脂质代谢发生异常和花药绒毡层和中间层细胞延迟降解,花药角质层和花粉外壁发育异常,最终导致玉米雄性不育[10]。
3 玉米株型遗传调控研究
玉米株型与产量直接相关,目前紧凑密植株型在玉米生产中已经广泛应用,但其分子调控网络还未得到阐明。中国农业大学田丰团队利用由玉米自交系W22 与玉米野生祖先种大刍草(CIMMT 8759)为亲本杂交衍生得到的渗入系群体,从大刍草中克隆了控制玉米叶夹角的关键基因UPA1(upright plant architecture 1)和UPA2,建立了玉米紧凑株型的分子调控网络,为玉米理想株型分子育种、密植高产品种培育提供了理论和实践基础[11]。中国农业大学林中伟团队克隆了来自甜玉米的主效分蘖基因tin1,该基因编码C2H2 型锌指蛋白,由于5’-UTR 的剪接位点发生变异导致内含子得以保留从而提高了mRNA的稳定性,tin1表达增强。进一步研究证实tin1控制了复杂基因网络而促进了玉米分蘖芽的不断伸长,最终促进分蘖形成,该研究揭示了玉米株型演化的关键分子遗传机制[12]。华南农业大学王海洋团队对350 份中国和美国玉米育种材料进行表型鉴定和全基因组重测序分析,系统挖掘了现代玉米育种过程中的“育种选择指纹”,阐明了跨越不同育种年代、中美两国玉米育种的遗传改良规律,并克隆了一批调控玉米耐密性和株型的关键候选基因,该研究为玉米耐密、理想株型的改良提供重要的理论指导和基因资源;同时,该研究还表明,综合利用高通量表型组学和基因组学手段是解析作物遗传改良规律的有效方法,为水稻、小麦等作物遗传育种规律的解析和优良基因挖掘提供了重要借鉴[13]。
4 玉米籽粒发育遗传调控研究
玉米籽粒相关性状与产量和品质直接相关。近年来,在玉米籽粒相关性状功能基因克隆、网络调控、高通量组学分析等方面取得了大量的进展,加深了对玉米籽粒、胚和胚乳遗传发育调控的认识。河南农业大学汤继华团队和中国农业科学院作物科学研究所李文学团队合作,利用图位克隆方法得到了控制籽粒大小的基因ZmUrb2,该基因编码核糖体合成过程中的装配因子;进一步研究表明,ZmUrb2主要通过影响核糖体的生物合成和pre-rRNA 的加工来影响籽粒发育和整个营养生长过程;此外,通过单倍型分析证明了ZmUrb2的Hap3单倍型可能作为优良的等位基因,在玉米从热带到温带的驯化过程中被人工选择。该研究结果对于揭示玉米籽粒发育的调控机制和产量形成的分子基础具有重要的意义[14]。中国农业大学宋任涛团队图位克隆了玉米胚乳调控基因Opaque11(O11),该基因编码胚乳特异的bHLH 转录因子,突变后籽粒发育异常、储藏物积累下降,O11作为关键调控因子,协调胚乳细胞发育、储藏物代谢和逆境响应等生物学过程,是胚乳整体基因调控网络的核心调控节点[15]。中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队对马达驱动蛋白编码基因Vks1(varied kernel size 1)进行了克隆和功能分析,vks1突变体果穗表现出大小变异的籽粒,Vks1在籽粒发育过程中的早期(细胞快速增殖的活跃阶段)特异高表达,马达驱动蛋白VKS1与有丝分裂过程中的微管共定位,突变后导致微管系统紊乱;vks1突变体在胚乳发育的起始合胞体阶段游离核紧贴着胚囊壁和聚集在一起,严重影响合胞体阶段游离核的迁移,而且有丝分裂过程异常,形成大小核和多核细胞等不正常的胚乳细胞类型,最终形成变异的籽粒大小。该研究解析了马达驱动蛋白在玉米早期胚乳发育过程中的关键作用,揭示了早期胚乳细胞数目增殖对最终籽粒大小决定的重要分子机理[16]。中国农业大学研究宋伟彬团队图位克隆了玉米小粒基因Mn6,该基因编码内质网I 型信号肽酶(ZmSigp1),mn6突变体表现胚乳发育不良, 胚乳大小严重缩小;Mn6主要参与加工碳水化合物合成相关蛋白,可能通过调控在胚乳转移层(BETL)特异表达的细胞壁转化酶基因(miniature seed1,Mn1)来调控籽粒灌浆和胚乳发育[17]。华中农业大学张祖新团队通过图位克隆获得控制玉米穗长、每行籽粒数和籽粒产量的基因KNR6,该基因编码编码丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶;KNR6增效等位基因型能够使杂交种的穗长、行粒数以及穗粒数增加,过表达KNR6也可显著提高玉米杂交种籽粒产量[18]。该研究有助于解析玉米穗粒数形成的分子机制,为提高玉米杂交种产量提供了理论依据和基因资源。
在玉米籽粒胚乳研究方面,中科院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队取得了大量的进展。该团队克隆了玉米籽粒胚乳发育调控基因OCD1(oxalyl-CoA decarboxylase 1),其编码草酰辅酶A脱羧酶,OCD1基因突变后籽粒胚乳呈现出粉质的表型,储存物质合成和粒重也发生下降;高赖氨酸基因Opaque7(O7)编码草酰辅酶A 合成酶,并证明O7可以催化草酸形成草酰辅酶A;O7基因突变后籽粒胚乳的能量代谢、糖类、氨基酸以及激素含量均受到显著影响。该研究揭示了草酸降解途径与籽粒胚乳发育、代谢和营养品质的关系[19]。该团队围绕胚乳灌浆调控的关键转录因子Opaque2(O2)开展了一系列的研究工作,克隆O2增强子基因Oen1(O2enhancer),该基因为玉米已知基因Shrunken1(Sh1),O2对 3个Sus(sucrose synthase)基因都有转录激活功能,其中对Sus1和Sus2的转录激活最强;在玉米籽粒高速灌浆时,虽然Sh1是蔗糖合酶活性最主要的贡献者,但O2对Sus1和Sus2转录激活是对Sh1介导的籽粒灌浆的必要补充。该研究进一步拓展了O2作为玉米胚乳灌浆调控网络核心转录因子的作用范围,揭示其可以调控胚乳储藏物质合成起始单元生成所需基因的协同表达[20]。之后,他们利用O2鉴定到协同籽粒早期发育与灌浆起始的核心转录因子基因ZmABI19,其转录和蛋白水平在籽粒早期最高,且胚中的mRNA水平显著高于胚乳;而zmabi19纯合突变体籽粒的胚和胚乳均发育异常,成熟籽粒变小并粉质,不能萌发,暗示ZmABI19 对籽粒早期发育和灌浆都有调控作用,而且可能同时调控胚和胚乳发育;ZmABI19能识别并转录激活O2启动子,从而调控下游醇溶蛋白基因的表达,还能直接调控胚发育与盾片储藏物质合成的核心转录因子Vp1 以及多个植物激素相关因子,结果证实ZmABI19 能够协同调控玉米籽粒早期发育(形态建成)与灌浆起始(储藏物质合成)这2个紧密衔接又相对独立的生长发育过程[21]。同时,该团队从自然群体中克隆到控制玉米硬/粉质胚乳形成的主效QTL——Ven1(vitreous endosperm 1),该基因的等位变异能够调控玉米胚乳中类胡萝卜素极性和非极性组分的含量;非极性胡萝卜素的增加能延迟淀粉体膜的降解,阻碍蛋白体和淀粉粒的互作,从而影响硬质胚乳形成[22]。该研究深入解析了类胡萝卜素成分改变影响玉米硬质胚乳形成的分子遗传机制,为培育高β-胡萝卜素、硬质的优良品种奠定基础。此外,中国农业大学宋任涛团队采用生物素标记探针Pull-down 和质谱的新方法鉴定到调控玉米储藏蛋白表达的转录因子基因ZmbZIP22,该基因突变后,27-kD 醇溶蛋白累积显著降低,赖氨酸和色氨酸含量显著上升;ZmbZIP22 在籽粒灌浆期特异结合27-kD 醇溶蛋白的启动子,直接调控27-kD 醇溶蛋白的表达;此外,ZmbZIP22通过与其他多个调控27-kD 醇溶蛋白的转录因子协同作用,来确保27-kD 醇溶蛋白在籽粒灌浆期的稳定表达[23]。四川农业大学黄玉碧团队联合中国农业科学院作物科学研究所李新海团队,以玉米骨干自交系Mo17 为材料,测定灌浆过程中胚乳淀粉积累动态,选择淀粉积累过程中的关键节点胚乳材料,对转录组、miRNA 组和DNA 甲基化组的动态变化进行了分析,构建了DNA 甲基化、miRNA、转录因子协同调控玉米胚乳淀粉合成关键酶基因表达的网络图[24]。
5 玉米单倍体育种技术研究
单倍体育种技术已广泛应用并成为现代玉米育种的关键核心技术之一,该技术能够快速创制纯合自交系,大大加快育种进程。中国农业科学院作物科学研究所谢传晓团队联合中国农业大学陈绍江团队利用CRISPR/Cas9 基因编辑技术创制了高效孤雌生殖单倍体诱导系,并为其配套了完善的组织特异表达的双荧光蛋白标记,已应用于单倍体鉴定[25]。该研究为基因编辑技术创制作物孤雌生殖单倍体诱导系,并同时具备高效单倍体筛选与鉴定标记,为作物双单倍体(doubled haploid,DH)育种技术体系提供了范例,具有很高的应用价值。中国农业大学陈绍江团队利用图位克隆的方法克隆了首个非Stock6来源的玉米单倍体诱导关键基因ZmDMP,该基因编码DUF679 结构 域 膜 蛋 白(DUF679 domain membrane protein)[26]。在诱导基因ZmPLA1突变基础上,单碱基替换导致的氨基酸错义突变,将单倍体诱导率提高2~3倍,而将ZmDMP完全敲除后可进一步将单倍体诱导率提高5~6倍,而且ZmDMP基因敲除后具有独立的诱导单倍体能力[27]。该研究首次在非Stock6 材料上发现独立诱导现象,不仅可为遗传学与生殖生物学研究提供新的借鉴,而且在实践上也将为基于分子标记辅助选育及基因编辑技术创建高频的单倍体诱导系奠定坚实的基础。Wang 等[28]提出了单倍体 IMGE(haploid inducermediated genome editing)育种策略,巧妙地将单倍体诱导与CRISPR/Cas9 基因编辑技术结合起来,成功地在两代内创造出了经基因编辑改良的DH纯系,该方法可以打破之前基因编辑育种对材料遗传转化能力的依赖,并且创造出不含转基因(CRISPR载体)的纯系。IMGE技术与利用基因组编辑技术获得无融合生殖株系相结合,从而实现杂种优势快速固定的技术,有望成为新的下一代作物育种技术,预期在今后的作物育种中将得到广泛应用。
6 玉米抗生物胁迫遗传调控研究
病虫害、草害等是当前玉米生产所面临的重要生物胁迫,严重影响玉米的产量和品质。中国农业科学院植物保护研究所王振营团队利用北京市农林科学院玉米研究中心选育并提供的天然抗虫的玉米品种京科968 为材料,经过短期饲喂、两性生命表以及寄生蜂行为选择等试验,证明了京科968 在受到亚洲玉米螟为害诱导后会产生抑制亚洲玉米螟生长发育的直接防御反应,也能产生吸引其寄生性天敌腰带长体茧蜂的间接诱导防御反应;该研究还从基因表达、苯并恶嗪酮类物质、植物激素及挥发物的含量变化等方面进一步揭示了亚洲玉米螟为害玉米诱导防御反应相关的生理生化及其分子机制,为玉米利用自身诱导防御反应控制亚洲玉米螟提供了科学依据[29]。山东农业大学储昭辉团队首次克隆了玉米纹枯病数量性状抗病基因ZmFBL41,该基因编码F-box 蛋白;ZmFBL41负调控植物免疫,进一步研究发现,该基因通过自然变异避免病原菌对木质素合成的抑制从而引起抗纹枯病的机制[30]。该研究克隆的抗性基因ZmFBL41是利用正向遗传学克隆的植物抗立枯丝核菌菌属病害的首个基因,研究结果对更多作物的抗纹枯病遗传改良具有重要意义。中国农业大学徐明良团队通过图位克隆获得了编码生长素调节蛋白的基因ZmAuxRP1,该基因同时能够显著提高玉米对茎腐病的抗性,对穗粒腐病也同样有效;进一步研究发现,ZmAuxRP1促进生长素 IAA 的合成,但抑制次生防御物质苯并噁唑嗪酮的合成,研究结果揭示了玉米调控生长与抗病平衡的遗传基础和分子机制[31]。该团队利用图位克隆的方法鉴定到编码囊泡运输关键的Rab GDP 解离抑制因子(Rab GDP dissociation inhibitor alpha,GDIα)与玉米粗缩病抗病有关,野生型的ZmGDIα为感病等位基因;当helitron 转座子插入到内含子(intron)10 后,转变成抗病等位基因ZmGDIα-hel,同时也揭示了玉米粗缩病隐性抗病的分子机制[32]。中国农业科学院作物科学研究所联合国内外7 家单位完成玉米大斑病抗性基因Ht2/Ht3的克隆,该基因编码细胞壁相关受体蛋白激酶(ZmWAK-RLK1),为Htn1基因的新型等位变异,该研究为玉米抗大斑病育种提供了优质抗源和标记辅助选择工具,证实了ZmWAKRLK1基因遗传变异与玉米大斑病的遗传互作关系,为定向挖掘优异抗性新资源/基因提供了方向[33]。
7 玉米抗非生物胁迫遗传调控研究
玉米生长发育过程中会遇到高温、干旱、倒伏等非生物胁迫,对胁迫响应基因进行克隆和功能解析,并加以利用是提高玉米抵御非生物胁迫的重要手段。中国农业科学院作物科学研究所李文学团队发现单子叶植物特异性miR528通过直接调控靶基因ZmLAC3和ZmLAC5的丰度调控木质素合成路径关键酶基因ZmPAL,进而调控玉米木质素合成,影响高氮条件下玉米的倒伏性[34]。该研究详尽阐述了miRNA、氮素与木质素之间的关系,为培育抗倒伏玉米品种提供了强有力的分子生物学证据。华中农业大学邱法展团队通过候选基因关联分析鉴定到玉米第7 亚家族乙烯响应因子 (ethlyene responsive factor, ERF) 基 因ZmEREB180,其通过影响内源激素生长素和乙烯的合成调控渍水胁迫下不定根发育,并通过调控ROS 的水平增强玉米苗期耐渍性,该研究揭示了ERF 转录因子ZmEREB180提高玉米耐渍性的分子机制,并提供了玉米耐渍性遗传改良的功能标记[35]。之后,该团队克隆了编码CASP LIKE 蛋白的ZmSRL5基因,该基因其通过控制表皮蜡质的结构而改变玉米叶表皮的通透性和植株的抗旱性[36]。中国农业大学林中伟团队克隆主效玉米茎秆强度QTL——stiff1,其位于玉米第6 染色体上,编码F-box 蛋白,该基因过表达使植株茎秆变软,后期出现倒伏,而基因沉默植株茎秆强度增强;进一步研究发现,stiff1表达量下调导致茎秆的纤维素和木质素含量提高,从而玉米茎秆强度增加[37]。研究结果揭示了玉米茎秆强度的分子机制,为我国玉米茎秆强度的精准改良提供了抗源材料。华中农业大学代明球团队克隆到新型核苷酸酶编码基因PTPN,在玉米和拟南芥中突变PTPN基因降低植物的抗旱性,而超表达PTPN则提高植物的抗旱能力,进一步研究揭示了新型核苷酸酶PTPN作为关键调控节点介导ABA 信号途径与AsA 合成途径之间的互作,进而促进植物抗旱的分子机制[38]。
8 玉米种质资源相关基础研究
近年来,研究人员利用玉米种质资源开展了大量的研究。浙江农林大学刘庆坡团队与加州大学欧文分校研究团队合作,利用11个地方品种6个世代的自交系探究了自交过程中玉米全基因组遗传清除的动态变化,发现在玉米自交过程中,杂合的有害单核苷酸多态性位点(dSNPs)更易从基因组中丢失;此外,随着自交代数的增加,3个玉米地方种(MR01、MR08 和 MR18)的基因组由于大量转座元件和染色体钮被清除而显著减小[39]。该研究对于深入理解植物基因组进化,尤其植物自交过程中有害变异和重复序列等基因组序列选择性清除的内在机理等具有一定意义。华中农业大学李青团队和明尼苏达大学合作,利用液相探针捕获技术对263 份来自热带、亚热带和温带的玉米自交系的DNA 甲基化进行分析,寻找到大量DNA 甲基化差异区段(differentially methylated region, DMR),结合高密度 SNP 数据、叶片和籽粒基因表达数据以及籽粒代谢数据,解析了DNA 甲基化变异的遗传基础及其对表型变异的影响[40]。该研究系统解析了DNA 甲基化变异的遗传基础,并证明DNA 甲基化可调控基因表达和表型,为解释消失的遗传力提供了新的支持,这是首次在群体水平分析作物中DNA 甲基化的变异和功能。华中农业大学严建兵团队与北京农林科学院玉米研究中心赵久然团队合作创制了CUBIC 群体:利用广泛应用于我国育种项目的24个骨干材料为亲本,创新性地通过两轮双列杂交在实现了所有亲本基因交流的情况下大大缩短了群体发展周期,接着采用6代开放授粉和6代连续自交,最终得到1 404个自交家系用于后续研究;利用此群体对23个玉米重要的农艺性状进行了系统性的遗传剖析;在鉴定到的数百个数量性状位点(QTLs)基础上,充分利用本群体设计的优点,结合多组学、多群体分析快速锁定目标基因,并以叶宽基因为例展示了该策略在功能基因快速克隆方面的优势[41]。
9 玉米分子遗传研究技术和平台
近年来,我国科研人员在突变体库构建、芯片研究和基因编辑等技术和平台方面取得了很大的进展,为玉米功能基因验证和新种质创制提供更多的技术手段。中国农业科学院生物技术研究所张春义团队与北京市农林科学院玉米研究中心赵久然团队合作构建了B73 背景的EMS 突变体库,并结合外显子组捕获和新一代测序技术挖掘到突变位点的精准位置,发现约20 万个点突变,覆盖了82%玉米基因组中可预测的编码基因[42]。中国农业大学宋任涛团队和江苏农业科学院赵涵团队合作构建了玉米Mutator转座子突变体数据库,鉴定到约10 万个Mu 插入位点,覆盖约45.7%的玉米基因[43]。北京市农林科学院玉米研究中心赵久然团队对国内外具有广泛代表性的400 份玉米自交系进行深度测序,成功研制玉米新型芯片产品Maize6H-60K,涉及玉米基因组6 万多个位点,有效位点达到90%以上[44]。中国农业科学院作物科学研究所谢传晓和李新海团队利用基因编辑技术一步法同时创制作物隐性核不育系(genic male sterility,GMS)与操控型核不育性保持系(MGM)的技术体系。在该技术体系中,MGM 保持系可同时生产GMS 不育系与MGM 保持系自身,从而实现了不依赖于自然GMS 不育系的作物第三代杂交育种技术[45]。华中农业大学李林团队、章元明团队与中国农业科学院作物科学研究所王国英团队合作开发QTG-seq,即通过QTL 分离(将数量性状转化为质量性状)、极端表型混池、高通量测序以及新算法挖掘候选基因,并利用该技术成功鉴定到玉米株高控制基因qPH7,该研究为作物QTL快速精细定位与克隆提供了新的技术和手段[46]。华中农业大学严建兵团队和李青团队合作开发了一种能广泛应用于不同物种组织、不依赖于DNA甲基化状态的单细胞DNA 甲基化测序技术,为不同物种提供了相对无偏的单细胞DNA 甲基化检测方法[47]。之后,严建兵团队进一步开发了玉米单个雌配子体的分离方法,并扩增测序了其基因组,发现在同一遗传背景下,玉米雄配子相对于雌配子会发生更多的重组交换[48]。该研究也极大地改变了对减数分裂重组交换发生的认识,并对作物的杂交育种产生重要影响。在玉米转化和基因编辑方面,中国农业大学陈其军团队、中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队和河南大学周云团队合作报道了利用引导编辑技术(prime editing)对玉米基因组进行精准编辑的研究。研究人员推测pegRNA 的表达水平是影响引导编辑效率的关键因素之一,通过增加pegRNA 表达框的数量及使用两种类型的启动子(常规型和复合型)驱动pegRNA 的表达,从而提高pegRNA 的表达;同时,首次利用引导编辑工具在2个乙酰乳酸合酶基因ZmALS1和ZmALS2中实现了纯合突变,且获得了2个基因的双位点突变体[49]。研究结果为开发非转基因抗多种除草剂的玉米品系提供了一种可行且有效的方法,也为进一步优化植物引导编辑器提供了方向。华中农业大学严建兵团队联合国内外多家单位报道了构建基于先验知识的靶向突变体库,可以大大加速功能基因的挖掘。研究人员综合传统遗传定位和高通量靶向基因编辑加速玉米功能基因挖掘的思路,充分利用CRISPR/Cas9 高度特异和靶向性的同时,借助先前的定位线索为每个靶向基因提供预期的潜在表型,该研究探索并完善了基于CRISPR/Cas9 的高通量的技术体系,大大降低了成本;构建的基于先验知识的靶向突变体库是玉米功能基因挖掘的有益资源;同时发现,植物基因编辑突变谱与人类细胞系一样,且具有较高的可预测性,增加了对植物基因编辑规律的认识[50]。
10 结语
近年来,我国玉米生物学的研究进展主要体现在以下几个方面:高质量的玉米基因组序列公布,第3 代基因组测序技术加快了玉米基因组学的研究步伐,多个骨干自交系完成了基因组组装,这将有利于深入解析玉米基因组结构变异和基因组驯化;玉米重要性状基因的克隆及功能研究,包括育性、株型、籽粒发育及生物与非生物胁迫等方面,并深入解析其遗传调控机理,极大地促进了我国玉米分子育种前进的步伐;基因编辑技术平台的优化,以CRISPR/Cas9 为代表的基因编辑技术快速发展,在提高编辑效率的同时能够对多个基因同时开展编辑,并与传统研究方法相结合形成新的技术手段,为玉米分子育种提供新的思路。随着基因编辑技术、重测序技术、全基因组关联分析以及第3 代分子标记技术等现代分子生物学技术的快速发展,我国玉米生物学研究也将取得更大的突破和研究成果,为我国玉米育种的发展提供强有力的支撑。