2020年1月7日，《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了中國科學(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Long-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，但蛋白營養(yǎng)品質(zhì)很差，這是由于胚乳中主要儲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)展中國家人群因缺乏賴氨酸、色氨酸引起的營養(yǎng)不良癥。在中國，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)到溫帶氣候國家，如中國，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，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， 為社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
巫永睿研究組長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與來源于美國的普通o2自交系W64Ao2的F2群體，并對群體中完全硬質(zhì)和粉質(zhì)的極端分離個(gè)體進(jìn)行混池測序，鑒定到了多個(gè)修飾因子的QTL位點(diǎn)；同時(shí)，通過對兩組優(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)量優(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)龠M(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、美國新澤西州蒙克萊爾州立大學(xué)教授杜春光、長期致力于優(yōu)質(zhì)蛋白玉米研究的美國亞利桑那大學(xué)Brian A. Larkins院士，美國羅格斯大學(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、國家基金委和中科院的大力支持。
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QPM 修飾因子的模式圖
日期：2020-01-13
玉米是世界第一大糧食和飼料作物，但蛋白營養(yǎng)品質(zhì)很差，這是由于胚乳中主要儲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)展中國家人群因缺乏賴氨酸、色氨酸引起的營養(yǎng)不良癥。在中國，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)到溫帶氣候國家，如中國，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，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， 為社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
巫永睿研究組長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與來源于美國的普通o2自交系W64Ao2的F2群體，并對群體中完全硬質(zhì)和粉質(zhì)的極端分離個(gè)體進(jìn)行混池測序，鑒定到了多個(gè)修飾因子的QTL位點(diǎn)；同時(shí)，通過對兩組優(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)量優(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)龠M(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、美國新澤西州蒙克萊爾州立大學(xué)教授杜春光、長期致力于優(yōu)質(zhì)蛋白玉米研究的美國亞利桑那大學(xué)Brian A. Larkins院士，美國羅格斯大學(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、國家基金委和中科院的大力支持。
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QPM 修飾因子的模式圖
日期：2020-01-13
