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[中国科学报] 寻找现代玉米改良足迹—科学家从350份材料中,解析“育种选择指纹”
【发布时间:2020-04-30】【关注度:

文章来源: 中国科学报   发布时间:2020-4-30   作者:李晨

    今天我们餐桌上丰富的食物都经历了从野生祖先种驯化为地方种,继而由近代育种家不断改良的过程。时至今日,早期驯化过程大多已被科学家揭晓。但作物如何改良为优良商业化品种的过程却鲜为人知。
    4月27日,《自然—遗传学》在线发表了中国农业科学院生物技术研究所、华南农业大学、北京大学等单位的合作研究成果。
    “这是一个跨越不同育种年代、不同国家的玉米育种选择规律分析。我们从全基因组水平解析育种规律,从而挖掘近一个世纪以来玉米关键农艺性状改良和产量提升的遗传基础和关键调控基因。”论文共同通讯作者、华南农业大学生命科学学院教授王海洋在接受《中国科学报》采访时说,研究系统解析了国内外现代玉米选育过程中的“育种选择指纹”,描绘出现代玉米改良的足迹。
    跨年代跨国:代表性育种材料系统分析
    玉米是目前全球第一大农作物,也是我国产量最高的作物。作为玉米产量全球第二的国家,中国在不到一个世纪的时间内实现了玉米产量7~8倍的增长。同样的,这个时期世界其他国家,如美国和欧洲一些国家的玉米产量也有成倍的增长。
    “相比于漫长的驯化过程,玉米作物改良在短短几十年间取得的成就大大超越以前的积累,相当于每10年产量翻番。”王海洋说,育种家们“选择了那些对产量提高非常有用的性状,一些看得见摸得着的性状”。
    同时,“依靠过去这种改良方法,育种效率已变得越来越低。现在育种家可能花了很多人力、物力和时间,但选出的品种未必比10年前选出的品种更好。了解玉米育种选择指纹或印迹,可以有效打破当下传统育种手段的瓶颈效应。”王海洋说。
    论文共同第一作者、中国农业科学院生物技术研究所研究员王宝宝对《中国科学报》说,他们从种质资源库和中外育种学家手中搜集了350份玉米育种材料。其中,美国材料分早期公共自交系和Ex-PVP自交系两个时期,中国材料分为1960s~1970s、1980s~1990s、2000s~2010s三个时期。
    “我们的金标准是,这些亲本育种材料曾培育出代表性的大面积推广的品种,在现代育种历程中真正发挥过作用。”王宝宝说。
    表型剧变的基因组选择证据
    此前研究表明,玉米亩产的提升在很大程度上得益于品种耐密性的改良和种植密度的提高。“到底是什么性状的改良有助于玉米耐密性的提高呢?它们背后的遗传基础和基因是什么?这是我们想回答的问题。”王宝宝说。
    前后2年时间,该团队在海南、吉林、河北等4个环境中收集了350种育种材料的表型数据。分析发现,现代玉米育种过程中,中美两国的玉米育种材料都经历了向着更低的穗位、更少的雄穗分枝数、更紧凑的叶夹角及更早的开花期方向发展的趋同选择,表明这四个性状的改良对玉米耐密性提高的重要性。
    “那么这些性状的改良又是由哪些基因控制的呢?这是个非常有价值的科学问题。”中国农业大学国家玉米改良中心教授田丰说。
    论文共同通讯作者、北京大学现代农学院副教授何航告诉《中国科学报》,通过对350份育种材料进行全基因组重测序,结合所收集的表型数据进行全基因组关联分析(GWAS),他们挖掘到了233个与15个农艺性状有显著关联的GWAS位点。
    “其中,与上述4个关键性状有关的有利等位基因,随着时间的推移,在中美育种材料中出现的频率同时显著上升。这说明这些位点在育种过程中受到人为选择,育种家会逐渐保留优良等位基因,淘汰劣势等位基因。我们追溯发现,中国育种家在当时既选择了美国材料中一样的等位基因,也选择了很多中国材料特有的等位基因。”何航说,这揭示了四个性状在中美育种过程中受到趋同选择的遗传基础,也印证了这些位点的重要性。
    通过进一步分析,研究人员得到了1888个在现代玉米育种过程中受选择的基因组区域,涉及逾5000个功能基因。他们还证明了两个在现代玉米育种过程中受到选择的基因ZmPIF3.3和TSH4,分别在调控玉米株高(穗位高)和雄穗分枝数方面发挥重要作用。
    玉米耐密优良等位基因型亟待深度挖掘
    他们发现,现代玉米育种过程中主要选择了与生物胁迫抗性、非生物胁迫抗性、植物激素代谢及信号转导、光信号转导及开花期调控通路相关的基因,这与玉米驯化、早期改良及热带到温带扩张的过程有很大的不同。
    就产量而言,目前中国玉米单产水平仍与美国存在较大差距。其中一个重要原因就是玉米的耐密性差异。“美国的种植密度逾6000株/亩,而我国玉米种植密度平均不到4000株/亩。”田丰说,这项工作为今后玉米育种改良和全基因组选择育种技术的开发提供了坚实的理论基础和重要的基因资源。
    不仅如此,这项研究也将为其他作物遗传育种规律的解析和优良基因挖掘提供有益借鉴。目前,水稻和小麦还没有开展类似的育种进程大规模系统研究。
    王海洋坦言,如此大规模的研究,按年代收集育种材料对团队来说是最大的困难之一,尤其是上世纪六十年代的材料。“如果没有国家种质资源库把这些珍贵的材料保存下来,种业的命脉就断了。”
    接下来,科学家将继续深度挖掘基因数据库,鉴定优势基因,以免品种改良工作成为“无源之水,无本之木”。

 

 

 
   
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