2020年1月7日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿研究組和上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院王文琴研究組合作的題為L(zhǎng)ong-read sequencing reveals genomic structural variations that underlie creation of quality protein maize 的研究論文。他們通過PacBio三代基因組測(cè)序、BSA-seq遺傳定位和RNA-seq轉(zhuǎn)錄組分析相結(jié)合的手段，深入解析了優(yōu)質(zhì)蛋白玉米（Quality Protein Maize, QPM）選育的基因組結(jié)構(gòu)變異基礎(chǔ)，全面挖掘了潛在的硬質(zhì)胚乳修飾因子。
玉米是世界第一大糧食和飼料作物，但蛋白營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)很差，這是由于胚乳中主要儲(chǔ)藏蛋白是不含必需氨基酸的醇溶蛋白。o2是高賴氨酸突變體，其醇溶蛋白含量下降了60%，而其它富含賴氨酸的優(yōu)質(zhì)蛋白互補(bǔ)性地上升，這樣不僅使籽?？偟鞍姿交静蛔儯屹嚢彼峥偤恳搽S之大幅度增加，然而o2籽粒有很多其它農(nóng)藝性狀上的缺陷，比如軟質(zhì)胚乳、千粒重下降、容易感病等，所以很難直接產(chǎn)業(yè)化。從上世紀(jì)60年代開始，國(guó)際玉米小麥改良中心從o2群體中不斷篩選積累o2的修飾因子（o2 modifiers, Mo2s）把軟質(zhì)胚乳恢復(fù)成硬質(zhì)胚乳，同時(shí)保持o2的高賴氨酸性狀，這種硬質(zhì)高賴氨酸版本的o2玉米就稱作優(yōu)質(zhì)蛋白玉米（Quality Protein Maize, QPM）。優(yōu)質(zhì)蛋白玉米是高賴氨酸玉米，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值堪與牛奶媲美，其產(chǎn)業(yè)化大大改善了南美、非洲和亞洲等一些以玉米為主食的發(fā)展中國(guó)家人群因缺乏賴氨酸、色氨酸引起的營(yíng)養(yǎng)不良癥。在中國(guó)，如果生豬用優(yōu)質(zhì)蛋白玉米飼養(yǎng)，料肉比顯著下降，即用同樣量的飼料能使豬增重37%。同時(shí)，以優(yōu)質(zhì)蛋白玉米作為飼料的另一優(yōu)勢(shì)是生豬可以充分吸收并同化玉米蛋白質(zhì)氨基酸，減少糞便中氮的排放，減少環(huán)境污染的壓力。
優(yōu)質(zhì)蛋白玉米以熱帶玉米種質(zhì)為基礎(chǔ)育成，當(dāng)它被引進(jìn)到溫帶氣候國(guó)家，如中國(guó)，它面臨的主要問題是如何把存在于熱帶種質(zhì)中的修飾因子轉(zhuǎn)到溫帶種質(zhì)的骨干自交系中。然而，修飾基因和與其相互作用的因子還不知道，導(dǎo)致這個(gè)轉(zhuǎn)化過程很漫長(zhǎng)，而且最后得到的很多轉(zhuǎn)化系還不是全硬質(zhì)胚乳，而是半硬質(zhì)胚乳。這樣的品種品相不好，農(nóng)藝表現(xiàn)不如全硬質(zhì)胚乳；我國(guó)地域和氣候差別很大，經(jīng)過千辛萬苦育成的優(yōu)質(zhì)蛋白玉米品種的適宜區(qū)域非常有限，很難大范圍推廣，大大制約了優(yōu)質(zhì)蛋白玉米的發(fā)展。如果優(yōu)質(zhì)蛋白玉米具有參考基因組序列并開發(fā)胚乳修飾因子的分子標(biāo)記，這必將大大加快其育種進(jìn)程， 為社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
巫永睿研究組長(zhǎng)期致力于玉米蛋白品質(zhì)研究，收集了豐富的優(yōu)質(zhì)蛋白玉米材料，而上海交通大學(xué)王文琴研究組的研究興趣是通過計(jì)算生物學(xué)及與分子生物學(xué)相結(jié)合的手段研究玉米復(fù)雜農(nóng)藝性狀。為挖掘優(yōu)質(zhì)蛋白玉米所有胚乳修飾因子，他們合作對(duì)來自南非的優(yōu)質(zhì)蛋白玉米自交系K0326Y基因組進(jìn)行了三代測(cè)序，最終組裝出的基因組大小為2148 Mb，contig N50 達(dá)到了7.77 Mb。當(dāng)K0326Y與冷泉港Doreen Ware 團(tuán)隊(duì)拼裝的B73和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)賴錦盛團(tuán)隊(duì)的Mo17進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，他們發(fā)現(xiàn)K0326Y與其它兩個(gè)玉米基因組之間有豐富的序列多樣性及結(jié)構(gòu)變異，這構(gòu)成了玉米品種間多樣性的主要原因。他們構(gòu)建了K0326Y與來源于美國(guó)的普通o2自交系W64Ao2的F2群體，并對(duì)群體中完全硬質(zhì)和粉質(zhì)的極端分離個(gè)體進(jìn)行混池測(cè)序，鑒定到了多個(gè)修飾因子的QTL位點(diǎn)；同時(shí)，通過對(duì)兩組優(yōu)質(zhì)蛋白玉米和o2突變體（K0326Y vs W64Ao2和CM105Mo2 vs CM105o2）進(jìn)行RNA-seq分析，共鑒定到了1791個(gè)共同差異表達(dá)基因。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)了一些與多個(gè)胚乳修飾因子遺傳位點(diǎn)緊密相連的候選基因，這些基因具有結(jié)構(gòu)變異和表達(dá)水平改變等遺傳特征。據(jù)此并結(jié)合近期其他研究成果，他們提出了解釋優(yōu)質(zhì)蛋白玉米硬質(zhì)胚乳形成的分子機(jī)制模型（如圖）。他們構(gòu)建的高質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)蛋白玉米基因組以及鑒定出的具有結(jié)構(gòu)變異和表達(dá)差異的候選基因?qū)?huì)促進(jìn)優(yōu)質(zhì)蛋白玉米胚乳修飾因子分子標(biāo)記開發(fā)及分子育種。
上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院博士后李長(zhǎng)生和中科院分子植物卓越中心博士后向小利為該論文共同第一作者。分子植物卓越中心博士生黃永財(cái)、博士后周勇、助研王瓊，上海交通大學(xué)博士后安冬等人參與了該工作。華大基因趙辰曦、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教授劉紅軍、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)教授李玉斌、美國(guó)新澤西州蒙克萊爾州立大學(xué)教授杜春光、長(zhǎng)期致力于優(yōu)質(zhì)蛋白玉米研究的美國(guó)亞利桑那大學(xué)Brian A. Larkins院士，美國(guó)羅格斯大學(xué)Joachim Messing院士及其博士后董家強(qiáng)也參與了合作。王文琴和巫永睿為論文共同通訊作者。這項(xiàng)研究得到科技部、國(guó)家基金委和中科院的大力支持。
QPM 修飾因子的模式圖
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