科學(xué)家破解優(yōu)質(zhì)蛋白玉米育成之謎(2020.1.8 上海交通大學(xué)）

2020年1月7日，上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院王文琴團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿團(tuán)隊(duì)在Nature Communications雜志上在線(xiàn)發(fā)表題為“Long-read sequencing reveals genomic structural variations that underlie creation of Quality Protein Maize”的研究文章。他們通過(guò)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。該工作揭開(kāi)了困擾世界玉米蛋白品質(zhì)育種半個(gè)多世紀(jì)的難解之謎。

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(lài)氨酸突變體，其醇溶蛋白含量下降了60%，而其它富含賴(lài)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?，而且賴(lài)氨酸總含量也隨之大幅度增加，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(kāi)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(lài)氨酸性狀，這種硬質(zhì)高賴(lài)氨酸版本的o2玉米就稱(chēng)作優(yōu)質(zhì)蛋白玉米（Quality Protein Maize， QPM）。優(yōu)質(zhì)蛋白玉米是高賴(lài)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(lài)氨酸、色氨酸引起的營(yíng)養(yǎng)不良癥。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?xún)?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(wèn)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(guò)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(guò)千辛萬(wàn)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(kāi)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(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

王文琴副教授主要是通過(guò)計(jì)算生物學(xué)及與分子生物學(xué)相結(jié)合的手段解析能源植物浮萍的淀粉合成調(diào)控和玉米品質(zhì)形成的基因組變異機(jī)理。近期獲得由國(guó)家面上項(xiàng)目支持解讀了水生植物的適應(yīng)機(jī)制，并將研究結(jié)果發(fā)表在了PNAS（An et al， PNAS， 2019）。同時(shí)在十三五期間，獲得科技部七大作物品質(zhì)項(xiàng)目的玉米品質(zhì)子課題的支助，先后解析了玉米自然群體中淀粉品質(zhì)形成的遺傳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（Li et al， Plant Biotechnol J.， 2018）及用于玉米品質(zhì)研究的經(jīng)典自交系W64A的三代轉(zhuǎn)錄組變異（Zhou et al， Plant Biotechnol J.， 2019）。為進(jìn)一步挖掘優(yōu)質(zhì)蛋白玉米所有胚乳修飾因子，該課題組與中科院及美國(guó)合作者對(duì)來(lái)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。

該團(tuán)隊(duì)將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(lài)錦盛團(tuán)隊(duì)的Mo17進(jìn)行比較基因組學(xué)分析時(shí)，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。同時(shí)，當(dāng)對(duì)K0326Y和W64Ao2的F2群體進(jìn)行了BSA-seq分析，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)行了RNA-seq分析，他們鑒定到了1，791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)水平的改變等遺傳特征。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。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(kāi)發(fā)及分子育種。