作为玉米种植和生产大国,在过去80多年里,中国和美国的玉米产量都发生了近8倍的大幅提升。研究表明,品种耐密性和种植密度的提高是该过程中玉米单产提升的关键驱动力。然而这几十年的玉米耐密遗传改良过程中,基因组层面的变化和选择规律尚未见系统解析,大大限制了突破性耐密植玉米新品种的培育。
材料与方法为了解析现代玉米育种过程中耐密性提高的遗传基础和选择规律、挖掘耐密植关键调控基因,本研究收集了中国和美国不同育种时期广泛应用的350份玉米育种自交系,并对其进行了2年4个环境的表型数据收集和10×的全基因组重测序分析。
Morphological trait improvement during modern maize breeding in the united States and China.
结果与分析表型分析发现,现代玉米育种过程中,中美玉米材料都协同的向着更低的穗位、更少的雄穗分枝数、更紧凑的叶夹角、及更早的开花期方向选择。进一步利用全基因组关联分析(GWAS)挖掘到了233个与15个农艺性状有显著关联的GWAS位点;其中这四类所受选择性状GWAS位点的有利等位基因频率在中美育种过程中同时显著升高,印证了观察到的这四类表型在中美育种过程中受到协同选择的现象,也预示了这些位点的重要性。
GWAS identification of candidate genes for variation of La, DTa and TBN.
通过对不同育种时期的材料进行全基因组选择分析,本研究得到了1888个在现代玉米育种过程受选择的基因组区域,涉及到5356个功能基因;其中2009个基因含有非同义突变,并且其等位基因频率在育种过程中发生显著改变,表明它们可能是现代育种选择的直接靶标。
基因富集分析发现,现代玉米育种过程主要选择了生物及非生物胁迫抗性、植物激素代谢及信号、光信号及开花期调控通路相关的基因,预示了现代玉米育种过程中的选择规律。
结论该研究成果不仅阐明了近几十年来中美两国玉米育种的遗传改良规律,挖掘了一大批调控玉米耐密性和抗逆性的关键候选基因,为今后玉米育种改良和全基因组选择育种技术开发奠定了坚实的理论基础和基因资源,也为其它作物遗传育种规律的解析和优良基因挖掘提供了有益的借鉴。
Validation of two candidate genes associated with eH and TBN.
来源：中国知网
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41588-020-0616-3
公众号：农业之巅
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