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​华中农大博士后绘制结构变异组图谱助力玉米遗传改良

时间:2019-07-03 来源:

    2019年5月31日,《Nature Genetics》在线发表了由华中农业大学严建兵团队主导,华大基因等单位参与的玉米基因组研究成果:“Genome assembly of a tropical maize inbred line provides insights into structural variation and crop improvement”。该研究公布了迄今为止质量最高的热带玉米参考基因组,并公布了首份玉米结构变异图谱,结合这些信息首次从自然变异中克隆到影响玉米粒重的关键基因。华中农业大学博士后杨宁、刘杰博士和华大基因高强博士为论文共同第一作者。严建兵教授为通讯作者。华中农业大学“长江学者”讲座教授David Jackson博士,严建兵教授课题组的多位博士后和研究生,华大基因的多位合作伙伴也一同参与了该研究。ChIA-PET数据的获得得到了李兴旺教授的支持,SK种子由中国农大李建生教授提供。工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划,以及作物遗传改良国家重点实验室自主课题和学校自主创新课题等项目的支持。

构建热带玉米基因组的重要性与必要性

    玉米是世界四大主粮作物之一,全球玉米年产量超过10亿吨。玉米在大约9000年前起源于热带地区,经人类驯化后,种植范围不断扩大,覆盖到广大温带地区。相比于其他地区,热带起源地的玉米种质有独特的抗逆性状, 如抗病虫、耐旱等。然而玉米遗传多样性高,取自任意地域、任意品种的两个玉米材料之间的遗传差异均大于人类与黑猩猩的差异。已发表玉米基因组材料均来自温带,用作参考基因组,不能全面揭示热带玉米的遗传多样性。因此,构建高质量热带玉米基因组图谱对热带玉米优势抗逆性状的遗传学研究意义重大,是玉米优势农艺性状相关基因与位点信息得到更充分挖掘的必要前提。

图1: 热带玉米SK的植株及果穗形态。




    该项研究首先以一个热带小粒玉米品种(SK)为材料,应用三代Pacbio测序技术、Bionano Genomics双酶切光学图谱、10X Genomics和Illumina双端测序产出的数据,组装得到迄今为止质量最好的玉米参考基因组,大小为2.32Gb, contig N50达到15.78Mb,注释获得了43,271个基因,为后续通过比较基因组学分析对热带玉米品系遗传多样性进行表征,和对重要农艺性状相关基因进行定位提供了高质量的参考基因组和基因集。

图2:SK参考基因组概貌



基于该基因组构建结构变异组图谱

    基因组结构变异可直接影响基因的表达和生物个体的性状表现,随着测序成本的降低,结构变异研究逐渐成为基因组学领域的热点。该项目研究人员基于新构建的SK参考基因组,结合之前已发表的温带玉米B73和Mo17参考基因组,应用521份玉米自交系的深度重测序数据,鉴定出了80,164个多态性结构变异,其中约22%的变异是传统单核苷酸多态性(SNP)检测方法所不能及的。研究人员应用这些变异信息构建了玉米的结构变异组图谱,为后续玉米重要农艺性状相关位点和基因的定位提供了精细的参照。


发现结构变异对基因表达量的多种调控机制

    该项研究发现,结构变异相比于SNP更容易引起基因表达量的变化。结合染色质三维交互(ChIA-PET)数据,研究人员证实,结构变异除可通过插入基因功能区引起基因表达量变化外,还可以通过重建或破坏基因组的三维交互,进而引起基因表达量的变化。



图3:野生玉米大刍草、SK以及现代玉米自交系ZHENG58的籽粒形态及百粒重


    玉米籽粒的重量与产量相关,是玉米驯化和改良过程中的关键选择性状之一。此前虽已针对该性状的控制位点开展了多项研究,但还从未用正向遗传学的手段定位过影响该性状的基因。

    在该项目中,研究人员利用ZHENG58和SK构建的重组自交系群体在玉米的1号染色体上定位到了一个同时控制粒型和粒重的位点(qHKW1),随后将其精细定位在长度为177Kb的基因组区间内,进一步定位出该位点所在的基因——ZmBAM1d,通过基因表达实验证实该基因正向调控玉米粒重,且在该基因过表达和敲除实验中均未检出对其他农艺性状的影响,表明该基因在玉米品质改良当中有应用前景,可用于提升作物产量。

研究人员进一步将SK和B73的ZmBAM1d基因区域进行比较,发现了与粒重表型直接相关的结构变异,由此说明,结构变异是表型差异的基础,也证明了该项研究中所构建的结构变异组图谱在农艺性状相关基因与位点定位当中的直接作用和未来应用前景。


全文链接:https://www.nature.com/articles/s41588-019-0427-6