玉米是我國第一大糧食作物,對保障國家糧食安全至關重要。我國玉米北方產區主要是干旱與半干旱地區,近年來湖北等南方玉米產區干旱災害也呈現出多發、頻發態勢。培育高抗高產玉米對國家、對湖北省保糧增收、保障糧食安全至關重要。

近百年來,育種專家將玉米產量大幅提高,但伴隨而來的是玉米抗旱性的顯著下降。找到控制產量性狀的干旱脅迫應答負調控位點并揭示其作用機制,是高抗高產作物育種面臨的重大瓶頸科學問題。

此次,華中農大作物遺傳改良國家重點實驗室、湖北洪山實驗室代明球教授、李林教授課題組,聯合湖北洪山實驗室、園藝植物生物學教育部重點實驗室李峰教授課題組在《自然-生物技術》雜志(Nature Biotechnology)發表了題為″The role of transposon invertedrepeats in balancing drought tolerance and yield-related traits in maize″的研究長文,就是利用多組學和基因編輯策略,詳細闡述了玉米產量和抗性平衡的遺傳與分子機制,為玉米高抗高產精準分子設計育種奠定了理論基礎,提供了優異基因資源,該玉米抗旱研究從2013年起,歷時九年完成,只為國家糧食安全、玉米種業安全。

小RNA(sRNA)是一類短片段的非編碼RNA,在真核生物中廣泛存在。研究團隊發現,小RNA(sRNA)能夠精準識別靶標基因,并調控其表達。研究團隊通過高通量測序,獲得了338份玉米關聯群體在正常澆水和干旱脅迫生長條件下的sRNA表達組和其中197份群體的轉錄組,并通過全基因組關聯分析(eGWAS)定位到六千來個調控這些sRNA表達的eQTL位點。

為了進一步解析作物產量和環境適應性分子調控機制,研究團隊克隆了8號染色體上一個干旱特異性超級熱點eQTL DRESH8,該熱點eQTL與上千個sRNA表達相關,這一研究過程就好比一網下去撈上來許多魚,而DRESH8是其中一條大魚。

DRESH8通過其產生的sRNA來調控靶標基因的表達進而抑制玉米抗旱

為了驗證DRESH8的功能,研究團隊通過基因編輯方法,用基因剪刀切割后,獲得了缺失DRESH8的轉基因玉米,發現該轉基因玉米比野生型對照玉米更抗旱,但產量更低,這表明DRESH8存在有利于產量但不利于抗旱,即DRESH8介導了耐旱性和產量性狀之間的平衡。

此外,有數十個eQTL熱點為TE-IR結構變異,與DRESH8一樣,其產生的sRNA所調控的潛在靶基因富集到與產量和抗逆性相關的基因集中,表明TE-IR在調節玉米抗逆性與產量性狀平衡上具有普遍作用。這種由TE-IR結構驅動的平衡機制,為通過基因組精準設計來培育高抗高產作物鋪平了道路。

此項研究,在理論上闡明了多年來困擾育種專家的關鍵科學問題,即作物如何平衡產量和抗性,研究成果為種業高抗高產遺傳育種奠定了堅實的理論基礎。應用上,該研究成果克隆到我國擁有獨立自主知識產權的多個重要遺傳位點,這些遺傳位點(如DRESH8)為種業通過生物育種技術培育適合未來氣候變化的高產作物進而保障國家糧食安全,提供了有重要應用價值的遺傳操控靶點。