趙久然團(tuán)隊(duì)建立全球首個(gè)鮮食玉米代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)并破譯鮮食玉米代謝分化遺傳機(jī)制

　　近日，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米所趙久然研究員團(tuán)隊(duì)在植物學(xué)頂級(jí)期刊《Molecular Plant》（中科院1區(qū)top期刊，IF5Year=21.4）發(fā)表了題為“Large-scale metabolomic landscape of edible maize reveals convergent changes in metabolite differentiation and facilitates its breeding improvement”的研究論文。該研究通過(guò)分析鮮食玉米全景代謝組分化特征，確定了甜、糯玉米的主要代謝分化模式，并發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)鮮食玉米代謝物趨同分化的主要遺傳機(jī)制。同時(shí)，該研究建立了首個(gè)鮮食玉米代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)EMMDB，并利用該數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了鮮食玉米營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味性狀的精準(zhǔn)改良。

 

　　鮮食玉米作為營(yíng)養(yǎng)豐富并具有獨(dú)特食味品質(zhì)的玉米類型，包括甜玉米、糯玉米以及甜加糯玉米等。我國(guó)已成為全球最大的鮮食玉米生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，總面積達(dá)到2600多萬(wàn)畝約占全球的一半。北京市農(nóng)林科學(xué)院等科研單位將甜、糯與多種優(yōu)異品質(zhì)性狀（高花青素、高葉酸、高賴氨酸等）相聚合，創(chuàng)制優(yōu)新種質(zhì)，培育出豐富多樣的優(yōu)質(zhì)鮮食玉米新品種。

 

　　作物馴化和遺傳改良的相關(guān)研究主要集中在早期馴化和農(nóng)藝性狀方面，而對(duì)于如何塑造鮮食玉米營(yíng)養(yǎng)風(fēng)味物質(zhì)的代謝過(guò)程尚不清晰。本團(tuán)隊(duì)利用從全球收集和自主創(chuàng)制的452份鮮食玉米自交系和農(nóng)家種種質(zhì)材料，涵蓋了糯玉米、甜玉米和普通玉米等。從鮮食玉米籽粒中鑒定到超過(guò)3000種非冗余代謝物，利用本研究提出的代謝物注釋改良方法對(duì)其中的802種代謝物進(jìn)行了注釋。數(shù)量遠(yuǎn)超已公布的其他研究，成功構(gòu)建了全球首個(gè)全景鮮食玉米代謝組圖譜。

 

　　本研究通過(guò)分析普通玉米和甜玉米、糯玉米的代謝分化特征，發(fā)現(xiàn)盡管甜、糯玉米來(lái)源于全球不同的地理位置（北美和中國(guó)等）和不同的馴化時(shí)間點(diǎn)，但趨同分化是甜、糯玉米代謝分化的主要模式，例如黃酮含量趨同降低和脂質(zhì)含量趨同增加，這源于人類對(duì)鮮食玉米風(fēng)味、口味和營(yíng)養(yǎng)的追求。共發(fā)現(xiàn)9個(gè)代謝物類別經(jīng)歷了趨同代謝變化，3種不同的趨同分化模式。農(nóng)家種分化階段趨同代謝物主要為次生代謝物，遺傳改良階段趨同代謝物主要為初生代謝物。利用單堿基分辨率變異圖譜的mGWAS熱點(diǎn)分析，在代謝熱點(diǎn)中識(shí)別出所有代謝物類別中的節(jié)點(diǎn)基因。進(jìn)一步結(jié)合選擇消除分析，在黃酮和脂類代謝物中分別鑒定到17個(gè)和15個(gè)關(guān)鍵分化節(jié)點(diǎn)基因。令人意外的是，分化節(jié)點(diǎn)基因幾乎都受到了多樣化選擇（非平行選擇），即甜、糯各自的趨同代謝分化作用基因幾乎完全不同，表明多樣化選擇是驅(qū)動(dòng)鮮食玉米代謝物趨同分化的主要遺傳機(jī)制。通過(guò)進(jìn)一步的遺傳學(xué)和分子生物學(xué)研究，揭示了ZmGPAT11基因在脂類代謝通路中趨同代謝分化作用和多樣化選擇的分子機(jī)制。此外，本研究還建立了全球首個(gè)鮮食玉米代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)EMMDB（www.maizemdb.site/home/）。利用該數(shù)據(jù)庫(kù)中的全基因組預(yù)測(cè)工具，成功實(shí)現(xiàn)鮮食玉米營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味物質(zhì)的精準(zhǔn)改良，預(yù)測(cè)出黃酮類物質(zhì)、卵磷脂、腦磷脂和維生素（A、B6和葉酸）含量顯著改善的優(yōu)良自交系6644_2。本研究揭示了鮮食玉米代謝分化的遺傳機(jī)制，為鮮食玉米風(fēng)味和營(yíng)養(yǎng)性狀的代謝物精準(zhǔn)設(shè)計(jì)改良提供了重要數(shù)據(jù)和理論支撐。

 

　　北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究所李春輝副研究員為該論文的第一作者，李志勇助理研究員、盧柏山研究員、史亞興研究員、肖森林博士為共同第一作者，趙久然研究員、宋偉研究員和王榮煥研究員為共同通訊作者。感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李慧慧研究員和崔迪副研究員、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王海洋研究員、江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院呂遠(yuǎn)大副研究員對(duì)該研究的支持和指導(dǎo)。本研究得到北京市農(nóng)林科學(xué)院基因組學(xué)育種協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)項(xiàng)目（KJCX201907-2）、北京學(xué)者項(xiàng)目（BSP041）、北京市農(nóng)林科學(xué)院優(yōu)秀青年基金（YXQN202401）以及北京市農(nóng)林科學(xué)院青年基金（QNJJ202407）的資助。