北京時間2023年1月17日，我校生命科學學院王海洋教授團隊聯合中國農業科學院生物技術研究所等單位科研團隊完成的論文“De novo genome assembly and analyses of twelve founder inbred lines provide insights into maize heterosis” 在線發表在國際頂尖學術期刊 “Nature Genetics” 上。該研究在構建玉米核心自交系泛基因組、解析玉米雜種優勢形成機理方面取得重大進展。

　　雜種優勢是指雜交F1代個體比它的雙親表現出更大的生物量、更強的抗逆性、更高的產量的生物學現象。雜種優勢是生物界的普遍現象，雜種優勢利用是作物育種的主要方法之一。玉米是目前世界（也是我國）的第一大農作物(占球谷物生產量的36%左右)，也是所有作物中雜種優勢最強、應用最成功的作物，目前生產上所用的97%以上的玉米品種都是基于雜種優勢的雜交種。然而由于目前玉米雜種優勢形成的機理還不清楚，導致雜交種的選育還是主要依賴于經驗，育種周期長，效率低下，突破性新品種匱乏。

　　基于此，王海洋教授團隊聯合了中國農業科學院生物技術研究所、中國農業大學、北京市農林科學院、河南農業大學等玉米研究優勢單位的科研團隊，通過三代測序等技術組裝了世界范圍內廣泛使用的12 個骨干自交系親本(黃早四、昌7-2、京92、京724、478、鄭58、178、S37、丹340、A632、OH43、PH207)的高質量基因組。結合已發表的B73 和Mo17 基因組，構建了溫帶玉米核心育種種質的泛基因組（幾乎代表了當前生產應用的所有玉米雜種優勢群）。

　　分析發現玉米自交系間存在著廣泛的遺傳變異（兩兩自交系間平均存在8,489,166個 SNP、1,223,484個小的InDel及37,459 個結構變異）；通過對現代育種中廣泛使用的350份玉米自交系中開花期、穗行數、行粒數、抗病性的表型和關鍵調控基因的單倍型分析，揭示了結構變異對雜種優勢群形成和表型分化的重要貢獻；通過對131份自交系雌穗的轉錄組數據分析，鑒定到306,868個調控基因表達的順式eQTL，并挖掘到了一批調控玉米雄穗分枝數、穗位高及穗腐病抗性相關的候選基因及其關鍵結構變異；進一步結合14 個自交系的雙列雜交群體 (91個F1)及3個環境的表型數據分析發現，玉米雜種優勢與雙親基因組間結構變異的數量呈顯著正相關，而與雙親基因組間共線性程度呈顯著負相關，說明玉米雜種優勢與雙親在全基因組水平的遺傳互補性密切相關，為雜種優勢的遺傳互補模型提供了強有力的支持。同時結合遺傳和分子生物學證據，挖掘到了ZmACO2 （編碼一個乙烯合成酶）和ARGOS1 (ZAR1, 編碼一個乙烯信號傳導相關蛋白) 2個關鍵產量雜種優勢位點，證明了其以超顯性效應發揮作用。本研究為闡明玉米雜種優勢機理邁出了堅實的一步，也為高產雜交玉米品種的選育奠定堅實的理論基礎和基因資源。

　　論文評審專家認為，該研究所組裝的基因組非常重要、有用和詳實，將會對玉米這個世界重要農作物的改良和研究產生關鍵推動作用。這或將幫助育種家和遺傳學家向共同的育種目標邁出更進一步。

　　我校王海洋教授、中國農業大學賴錦盛教授、北京市農林科學院趙久然研究員和河南農業大學陳彥惠教授為該論文通訊作者。該研究以中國農業科學院生物技術研究所為第一完成單位，生物技術研究所研究員王寶寶、博士研究生候美、中國農業大學已畢業博士史俊鵬（現為中山大學副教授）、河南農業大學教授庫麗霞、北京市農林科學院研究員宋偉及中國農科院作科所副研究員李春輝為論文共同第一作者。項目合作單位還包括內蒙古大學、華中農業大學、中國醫學科學院等單位。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、北京學者計劃和中國農業科學院科技創新工程的資助。

文圖/生命科學學院