對玉米自交系RP125的EMS化學突變體庫進行控制授粉。受訪者供圖

記者 李晨

高質量基因組結合同背景的突變體庫可助力基因挖掘和功能研究，為玉米遺傳研究和作物改良提供新的種質資源。

近日，《植物雜志》在線發表了多個團隊合作研究的最新成果。他們從頭組裝了我國第一個玉米自交系的高質量參考基因組，并在該背景下創制了表型變異豐富的突變體庫。借助于二者黃金組合，該團隊克隆了一系列基因，并對其中一個新基因的功能進行了解析。

國內首個優良自交系基因組的高質量組裝

玉米是世界上最重要的農作物之一，在適應不同生境的過程中，產生了種類繁多的玉米自交系。這些自交系是玉米育種依賴的重要種質資源。

“由于玉米具有豐富的遺傳多樣性，準確的基因組和注釋信息是作物改良和全基因組精準鑒定的基礎。”論文共同通訊作者、山東農業大學教授張志明告訴《中國科學報》，自2009年玉米自交系B73的參考基因組發布以來，北美、南美和歐洲的其他幾個重要自交系已經測序并組裝完成，而國內只有少數自交系具有基因組信息。

“很多在中國和亞洲地區廣泛使用的優良育種系還沒有高質量的基因組信息。”論文共同通訊作者、中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所研究員吳慶鈺說，亟待挖掘新的玉米自交系基因組信息，從而豐富玉米種質資源。

論文共同通訊作者、山東大學教授徐芳告訴《中國科學報》，自交系RP125由中國工程院院士、四川農業大學玉米研究所教授榮廷昭，以及該所教授潘光堂選育，是西南玉米產區骨干自交系，其來源于川單9號太空誘變后群體分離出的不育株與多個雜交種的遺傳重組后代。

徐芳介紹，RP125廣泛適應不同的生態區，其雌雄花在不同緯度下能同步發育，發達的根系可有效利用土壤肥力，產量達7500公斤/公頃左右；同時，RP125抵抗包括玉米葉斑病、絲黑穗病和青枯病等在內的多種病原菌。而且，利用RP125為親本，已經選育出5個性狀優良的雜交種。

因此，該團隊對玉米自交系RP125的參考基因組進行了從頭組裝、功能注釋和序列比對，經修正和系列質檢表明，組裝質量優良。共獲得43098個高置信度的蛋白質編碼基因，其中42930個（占99.61%）分布在10條染色體上。

張志明認為，RP125基因組與B73、W22和Mo17等自交系的基因組整體比較，揭示了大量單核苷酸多態性和結構變異，但基因組間整體存在良好的共線性，表明RP125與其他自交系間具有較大遺傳差異，但整體遺傳穩定。

“這是國內第一個從頭組裝的玉米自交系高質量基因組圖譜，將為作物改良和全基因組精準鑒定提供有價值的資源。”張志明說。

相同遺傳背景下的突變體庫創制

有了高質量基因組圖譜，在遺傳研究中，為了獲得某一基因或位點的功能，科學家會將該基因或位點突變，從而形成突變體。“突變體種質資源的創制、鑒定和應用是玉米功能基因挖掘和遺傳解析的基礎。”張志明說。

突變體是相對于野生型而言的。野生玉米包含有大約4萬多個基因，其中任何一個基因發生突變都能成為一個突變體。

目前，科學家創制突變體，主要有幾種方法，包括EMS化學誘變、Mu轉座子插入和CRISPR/Cas基因編輯等。每種方法都能創制很多突變體，這些突變體就組成了突變體庫。例如，以B73自交系為背景創制的化學誘變突變體庫、以W22自交系為背景的轉座子插入突變體庫和以KN5585自交系為背景的基因編輯突變體庫等。

“這些突變體庫對玉米功能基因及分子遺傳研究具有極大的促進作用。”張志明說，大量玉米突變體的收集將有利于新基因克隆，加速玉米的生物學研究。由于不同玉米品種間基因組的巨大差異，突變體表型的穿透力可能受到影響，并且在某些自交系的遺傳背景下突變表型可能被掩蓋，不同優良自交系的突變體文庫構建仍然十分必要。

“我國自交系和國外有很大差別。我們國家自己的自交系應該加強從頭組裝。”徐芳說。在這項研究中，他們使用的是化學誘變方法，創制了5818個突變體材料，組成了突變體庫。

徐芳說，由于并不是每個基因的突變都會導致明顯的表型，他們從中篩選鑒定出946個有明顯表型變異且穩定遺傳的突變體材料，并按照籽粒大小、籽粒灌漿、株高、類病斑、葉色、籽粒顏色、穗型和葉型等20種表型分類。

吳慶鈺告訴《中國科學報》，化學突變體庫具有創制簡單、成本低、誘變效率高等優點，具有廣泛的應用潛力，是一種門檻最低的創制突變體的方法。

黃金組合：高質量基因組和突變體庫

“將自交系RP125的高質量基因組與相同遺傳背景下的突變體庫相結合，對挖掘出新的功能基因及分離出理想的等位變異，豐富玉米的遺傳多樣性及推動育種進程具有重要意義。”吳慶鈺說，高質量基因組和突變體庫組成的黃金組合，非常有利于新基因的克隆鑒定。

在吳慶鈺看來，突變體庫里蘊涵著大量的基因寶藏，定位基因的過程像是大海撈針。高質量玉米基因組相當于提供了一個高精度地圖，能幫助科學家快速地定位到寶藏基因所在的位置。

結合RP125的高質量參考基因組序列，他們成功地從突變體文庫中鑒定到10個等位突變，其中9個為已發表經典突變體的等位突變，但是突變的類型和此前發現的不一樣。

“其中一個基因是調控籽粒灌漿的新基因QK1。”吳慶鈺介紹，他們發現，QK1為定位在2號染色體的隱性單基因，突變后呈現胚乳特定部位淀粉部分缺失、淀粉含量減少、胚乳結構松散的表型。對該基因突變后發現，胚乳中鐵和活性氧的積累以及線粒體呈現鐵死亡特征，推測可能為鐵過量導致細胞離子平衡破壞，進而影響籽粒發育和灌漿缺陷。

“這是一個新的調控籽粒發育和灌漿的基因，初步揭示了一種與已知的灌漿調控模式均不相同的新調控方式，首次提供了金屬耐受蛋白MTP參與玉米籽粒灌漿的證據，同時明確了鐵元素對籽粒發育和灌漿起重要調控作用。”吳慶鈺說。

“我們創制的RP125突變體庫表型變異豐富，是玉米生物學基礎研究和育種實踐的寶貴種質資源。此外，該突變體庫的遺傳背景——自交系RP125，具有生態適應性廣、抗病及抗逆性強等特點，有利于不同地區的科研工作者開展研究，在該背景下能表現出其他自交系中沒有的表型，有利于新基因的發掘和研究。同時，突變體庫中一些性狀的優異等位變異也為玉米遺傳改良和新品種培育提供了重要的種質資源。”張志明說。