中国农大学田丰团队聚焦玉米研究,发表Science/Plant Cell/PNAS/ Cur Biol等多篇高水平文章

植物科学技术 玉米种植技术
eplants    2020-12-14    807

  中国农业大学田丰课题组主要以玉米为研究对象,在玉米研究领域取得一系列的突破!该课题组在近三年发表了多篇文章,其中包括1篇Science、2篇Plant Cell、1篇PNAS、1篇Current Biology、1篇Molecular Plant 和 2篇New Phytol等8篇通讯文章。

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  1。 Science| 克隆了UPA1(Upright Plant Architecture1)和UPA2,这两个数量性状基因座赋予了直立的植物结构

  该工作入选2020中国农业科学十大重大进展揭晓

  2019年8月15日,中国农业大学田丰团队在Science在线发表题为”Teosinte ligule allele narrows plant architecture and enhances high-density maize yields“的研究论文,该研究克隆了UPA1(Upright Plant Architecture1)和UPA2,这两个数量性状基因座赋予了直立的植物结构。 UPA2由调节位于下游9。5千碱基的B3结构域转录因子(ZmRAVL1)表达的双碱基序列多态性控制。UPA2表现出DRL1(DROOPING LEAF1)的差异结合,DRL1与LG1(LIGULELESS1)物理相互作用并抑制ZmRAVL1的LG1活化。 ZmRAVL1调节brd1(BRD1,油菜素类固醇C-6氧化酶1,UPA1的编码蛋白)改变内源性油菜素类固醇含量和叶角。 减少叶角的UPA2等位基因起源于玉米的野生祖先teosinte,并且在玉米驯化期间已经丢失。因此,操纵ZmRAVL1可以产生直立的叶子结构,以增加种植密度。 将野生UPA2等位基因纳入现代育种并编辑ZmRAVL1可增强高密度玉米产量。

  同期,美国加州大学伯克利分校Sarah Hake等人在Science 在线发表题为”Using wild relatives to improve maize“的点评文章,系统总结了该研究成果,另外指出通过产生重组系并通过近等基因系重新捕获,揭示了野生祖先隐藏的遗传变异。

  2。 New Phytologist|揭示玉米成花转变的新机制

  2020年6月24日,中国农业大学金危危课题组和田丰课题组发表了题为dlf1 promotes floral transition by directly activating ZmMADS4 and ZmMADS67 in the maize shoot apex。这篇文章研究发现dlf1通过直接激活玉米茎尖的ZmMADS4和ZmMADS67,促进了玉米的成花转变,揭示了玉米成花转变的新机制。

  玉米茎尖分生组织的成花转变决定着叶片数和开花时间,这是影响当地适应性和产量潜力的关键性状。dlf1 (delayed flowering1 ) 编码一种basic leucine zipper蛋白,与成花素ZCN8相互作用,介导茎尖的花诱导。然而,dlf1如何促进成花转变的机制仍不清楚。本研究证明了dlf1是qLB7-1,即一个控制叶片数和开花时间的数量性状基因座,并且是在玉米和野生祖先大刍草杂交产生的BC2S3群体中鉴定得到的。转录组测序和染色质免疫沉淀测序表明,DLF1能够结合两个AP1/FUL亚家族MADS-box基因ZmMADS4和ZmMADS67的核心启动子,并激活其表达。敲除ZmMADS4和ZmMADS67后,叶片数增加,开花延迟,说明它们促进了成花转变。核苷酸多样性分析表明,dlf1和ZmMADS67是选择的靶点,表明它们可能在玉米花期适应中发挥了重要作用。

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  dlf1促进玉米成花转变的模型

  3。 Plant Cell| 系统解析了玉米驯化过程中的代谢分化,并鉴定了控制代谢基因

  2019年6月,Plant Cell 杂志在线发表了题为"Evolutionary Metabolomics Identifies Substantial Metabolic Divergence between Maize and Its Wild Ancestor, Teosinte"的研究论文。系统解析了玉米驯化过程中的代谢分化,并进一步通过多组学分析鉴定了控制代谢分化的功能基因。

  该研究利用非靶标液相色谱-质谱联用(LC-MS)对大刍草、热带玉米和温带玉米幼苗进行了代谢谱检测,获得了丰富的代谢组数据。研究发现从大刍草到热带玉米和温带玉米进化过程中,玉米幼苗代谢组发生了逐步的分化,在玉米两个进化阶段不同的代谢物受到了强烈选择。例如,萜类、脂质和生物碱主要在大刍草和热带玉米间发生分化;而苯并噁嗪类化合物主要在热带玉米和温带玉米间发生分化。这些代谢物在大刍草和不同玉米群体间发生分化可能是玉米适应不同生长环境造成的结果。例如,苯并噁嗪代谢途径中HDMBOA在热带玉米中含量较高,此代谢物可以有效抑制热带地区咀食性昆虫的危害;而DIMBOA在温带玉米中含量较高,它通过诱导胼胝质积累可以降低温带地区的蚜虫等刺吸式昆虫的危害。

  为了研究这些代谢物发生分化的遗传基础,作者利用大刍草和栽培玉米杂交、回交衍生得到的重组自交系群体对分化代谢物进行了mQTL定位分析。研究发现最近发生的代谢分化相对早期的代谢分化遗传基础更简单。研究鉴定到大量mQTL热点区域,这些区域特异地影响某类代谢物。作者进一步结合该重组自交系群体的幼苗转录组数据,鉴定出了调控mQTL的候选基因。与群体基因组数据的整合发现,分化代谢物mQTL的候选基因在玉米驯化过程中更倾向于受到选择。作者通过转基因和突变体分析,证实了FHT1、Pr1和ZmTPS1在类黄酮和萜类代谢物分化中发挥了重要作用。该研究不仅揭示了玉米驯化、适应过程伴随着深刻的代谢分化,而且展示了多组学数据的结合在解析数量性状遗传基础上的强大功效。

  4。 Current Biology| 揭示了一个基因上不同顺式作用元件在植物适应当地环境过程中逐步发挥作用的分子进化机制

  2018年9月,Current Biology杂志在线发表了题为“Stepwise cis-regulatory changes in ZCN8 contribute to maize flowering time adaptation”的研究论文。该研究发现玉米成花素基因ZCN8启动子上两个顺式作用元件,分别在玉米驯化、适应过程中相继受到选择并发挥作用,以帮助玉米从短日照低纬度地区向长日照高纬度地区散播。该研究揭示了一个基因上不同顺式作用元件在植物适应当地环境过程中逐步发挥作用的分子进化机制。

  5。 Molecular Plant| “光泽15”(Glossy15, Gl15)决定了玉米从大刍草驯化过程中,营养生长期的变化

  2017年7月,Molecular Plant 杂志在线发表了题为Glossy15 plays an important role in the divergence of the vegetative transition between maize and its progenitor, teosinte的研究论文,揭示Gl15基因决定了玉米从大刍草驯化过程中,营养生长期的变化。

  “光泽15”(Glossy15, Gl15)基因是一个AP2类(APETALA2)的转录因子,过去人们认为它原本的作用是帮助玉米青苗在表面形成一种蜡状膜,像防晒霜那样保护青苗。后来,人们发现Gl15的作用是减缓玉米幼嫩叶片的成熟老化。过量表达Gl15可令玉米具有更繁茂的叶子和更粗壮的主茎,因而可能收获到更多的玉米青贮,使玉米成为理想的能源作物。最近,中国农业大学田丰教授团队最新发现,Gl15基因决定了玉米从大刍草驯化过程中,营养生长期的变化。

  玉米从中美洲的热带地区扩散到北美温带地区的过程中,经历了开花期性状的变化,以适应那里极短的生长季节。在这一过程中多个基因决定了花期性状的变化。研究人员利用50份玉米自交系和13份大刍草材料,通过鉴定叶片表皮蜡质和表皮毛(嫩叶和老叶的区分标志)性状,发现玉米叶片从嫩到老的转换期比大刍草更早,而控制这一性状的就是Gl15基因。关联分析结果表明,一个终止子多态性SNP2154通过改变Gl15基因的表达造成了大刍草驯化为玉米的过程中,营养生长期的差异。

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