| |
 |
图 DRESH8调控玉米产量和抗旱性平衡
在国家自然科学基金项目（批准号：32061143031、91940301、92035302）等资助下，华中农业大学代明球课题组联合李峰、李林课题组以及CIMMYT（国际小麦玉米改良中心）Sarah Hearne博士，首次详细阐述了玉米产量和抗旱性平衡的遗传与分子调控机制，为玉米高抗高产精准分子设计育种奠定了理论基础并提供了优异基因资源。研究成果以“转座子反向重复结构在平衡玉米抗旱性和产量上的功能（The role of transposon inverted repeats in balancing drought tolerance and yield-related traits in maize）”为题，于2022年10月13日发表于《自然•生物技术》（Nature Biotechnology）杂志。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-022-01470-4。
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。玉米对干旱敏感，每年因旱灾造成我国玉米大幅减产和巨大经济损失。近百年来，育种家大幅提高了玉米产量，但伴随而来的是玉米抗旱性的显著下降，表明产量性状和抗逆性状存在拮抗，且控制二者的遗传位点在基因组上紧密连锁。如何打破这种连锁，使产量和抗性达到最佳平衡是作物育种研究领域极具应用价值的研究方向，而找到控制产量性状的干旱胁迫应答负调控位点并揭示其遗传与分子作用机制，是高产、高抗旱作物育种面临的重大瓶颈问题。
代明球团队与合作者基于数百份玉米自然群体的小RNA (sRNA)表达组和基因转录组分析，克隆了位于8号染色体上一个调控sRNA表达和干旱特异性的超级热点eQTL DRESH8，其为一个转座子组成的反向重复序列（Transposable element-inverted repeat, TE-IR）。通过基因编辑手段获得了缺失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，且其产生的sRNA比野生型显著减少，表明DRESH8是玉米群体内调控抗旱性和sRNA表达变异的因果变异位点。产量调查和进化分析发现，DRESH8能够介导抗旱性和产量性状之间的选择平衡：在降雨充沛的环境中，农民可能选择种植有DRESH8的玉米以提高产量；而在干旱环境下，农民选择种植缺失DRESH8的玉米，这样可以去除DRESH8产生的sRNA对抗旱基因的抑制作用，从而提高玉米的抗旱性。进一步研究显示，全基因组范围内的TE通过形成IR序列控制了42%左右的干旱应答sRNA的表达，表明IR在玉米干旱响应中发挥着广泛的作用。此外，有数十个eQTL热点为TE-IR结构变异，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可能在调节玉米环境适应性与产量性状平衡上具有普遍作用（图）。
该研究发现了大量与干旱适应性和产量性状相关的环境特异性遗传调控因子，首次揭示了TE通过形成IR结构参与基因转录后调控，进而平衡作物产量和环境适应性的关键遗传与分子调控机制。这种由TE-IR结构驱动的平衡机制，为作物高抗旱、高产精准设计育种奠定了理论基础，提供了优异遗传资源。