玉米是我国第一大粮食作物,对保障国家粮食安全至关重要。我国玉米北方产区主要是干旱与半干旱地区,近年来湖北等南方玉米产区干旱灾害也呈现出多发、频发态势。培育高抗高产玉米对国家、对湖北省保粮增收、保障粮食安全至关重要。

近百年来,育种专家将玉米产量大幅提高,但伴随而来的是玉米抗旱性的显著下降。找到控制产量性状的干旱胁迫应答负调控位点并揭示其作用机制,是高抗高产作物育种面临的重大瓶颈科学问题。

此次,华中农大作物遗传改良国家重点实验室、湖北洪山实验室代明球教授、李林教授课题组,联合湖北洪山实验室、园艺植物生物学教育部重点实验室李峰教授课题组在《自然-生物技术》杂志(Nature Biotechnology)发表了题为″The role of transposon invertedrepeats in balancing drought tolerance and yield-related traits in maize″的研究长文,就是利用多组学和基因编辑策略,详细阐述了玉米产量和抗性平衡的遗传与分子机制,为玉米高抗高产精准分子设计育种奠定了理论基础,提供了优异基因资源,该玉米抗旱研究从2013年起,历时九年完成,只为国家粮食安全、玉米种业安全。

小RNA(sRNA)是一类短片段的非编码RNA,在真核生物中广泛存在。研究团队发现,小RNA(sRNA)能够精准识别靶标基因,并调控其表达。研究团队通过高通量测序,获得了338份玉米关联群体在正常浇水和干旱胁迫生长条件下的sRNA表达组和其中197份群体的转录组,并通过全基因组关联分析(eGWAS)定位到六千来个调控这些sRNA表达的eQTL位点。

为了进一步解析作物产量和环境适应性分子调控机制,研究团队克隆了8号染色体上一个干旱特异性超级热点eQTL DRESH8,该热点eQTL与上千个sRNA表达相关,这一研究过程就好比一网下去捞上来许多鱼,而DRESH8是其中一条大鱼。

DRESH8通过其产生的sRNA来调控靶标基因的表达进而抑制玉米抗旱

为了验证DRESH8的功能,研究团队通过基因编辑方法,用基因剪刀切割后,获得了缺失DRESH8的转基因玉米,发现该转基因玉米比野生型对照玉米更抗旱,但产量更低,这表明DRESH8存在有利于产量但不利于抗旱,即DRESH8介导了耐旱性和产量性状之间的平衡。

此外,有数十个eQTL热点为TE-IR结构变异,与DRESH8一样,其产生的sRNA所调控的潜在靶基因富集到与产量和抗逆性相关的基因集中,表明TE-IR在调节玉米抗逆性与产量性状平衡上具有普遍作用。这种由TE-IR结构驱动的平衡机制,为通过基因组精准设计来培育高抗高产作物铺平了道路。

此项研究,在理论上阐明了多年来困扰育种专家的关键科学问题,即作物如何平衡产量和抗性,研究成果为种业高抗高产遗传育种奠定了坚实的理论基础。应用上,该研究成果克隆到我国拥有独立自主知识产权的多个重要遗传位点,这些遗传位点(如DRESH8)为种业通过生物育种技术培育适合未来气候变化的高产作物进而保障国家粮食安全,提供了有重要应用价值的遗传操控靶点。