华中农大严建兵教授课题组与瑞典农业科学大学昝艳君博士联合解析玉米农艺性状可塑性的遗传结构

玉米是我国乃至全球种植面积最大、产量最高的粮食、饲料和经济作物。尽管近十多年来我国玉米连续增产，但生产的稳定性和可控性并不高，在很大程度上仍然要看老天脸色。表型可塑性指的是个体在不同环境下产生不同表型的能力，作物的可塑性不同是因为个体响应环境变化的能力不同，即基因与环境互作（G×E）的存在。研究作物农艺性状可塑性的遗传调控机制，是农艺性状遗传机制研究的重要内容，对于探究作物在不同产区的环境适应性机制以及多元环境下全基因组预测精度的提高、作物的稳产增产和全球气候变化条件下的农业生产具有重要的指导意义。

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2022.100473

2023年1月14日华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室严建兵教授课题组与瑞典农业科学大学于默奥科学中心昝艳君博士（现为中国农业科学院烟草研究所特聘研究员）联合在Plant Communications期刊上发表题为“Complex genetic architecture underlying the plasticity of maize agronomic traits”的研究论文。该研究基于玉米CUBIC（Complete-diallel design plus Unbalanced Breeding-like Inter-Cross，Liu et al., 2020）群体，在吉林、辽宁、北京、河北和河南5个覆盖中国黄淮海夏播玉米主产区的环境下，系统解析了23个农艺性状（产量、株型、花期）表型可塑性的遗传结构以及与表型均值遗传结构的关系，发现了基因与环境互作在作物农艺性状跨产区变异中的重要作用，在全基因组水平解释了作物农艺性状响应多元环境因子变异的遗传成因。

图1 玉米CUBIC群体23种农艺性状表型均值与可塑性的遗传定位结果

研究发现，与纬度高度相关的环境因子的变化，如日照时间和温度，是导致不同环境下玉米开花性状差异的重要原因。玉米农艺性状在不同环境下的遗传结构是动态变化的，其中产量性状比株型和开花性状更具有可塑性。该研究一共检测到109个QTL，其中29个影响表型均值，66个影响表型可塑性，14个同时影响均值与可塑性，并且其中80%的QTL可与环境因子发生互作。表型可塑性变异的发生可能是由QTL在不同环境下效应大小或者方向的变化导致。

图2. 玉米吐丝期可塑性基因ZmTPS14.1和ZmSPL6的补偿效应模型

研究进一步利用CRISPR/Cas9基因编辑技术验证了两个影响玉米吐丝期可塑性的基因ZmTPS14.1和ZmSPL6，敲除ZmTPS14.1会导致玉米在海南提前吐丝，而敲除ZmSPL6会导致玉米在吉林提前吐丝。结合多种材料在不同环境下的转录组数据，推测ZmSPL6在长日照条件下高表达，可以补偿ZmTPS14.1敲除的效应，而ZmSPL6在短日照条件下低表达，不存在补偿效应，进而导致两个基因的敲除在不同环境下有不同的表型。

将遗传因子、环境因子以及遗传与环境的互作整合到一个联合预测模型（GEAI）中，与传统的GBLUP模型相比，GEAI可以将预测准确度分别提高9.9%（抽雄期）、2.2%（株高）和2.6%（穗重）。该研究揭示了影响玉米农艺性状均值和可塑性的复杂遗传结构，包括了多因一效、一因多效以及基因与环境互作等，为农艺性状响应环境变化的动态遗传结构研究提供了新的视角，为实现精准育种奠定了坚实的基础。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室严建兵教授和瑞典农业科学大学昝艳君博士（现为中国农业科学院烟草研究所特聘研究员）为该论文的通讯作者。华中农业大学博士后金敏亮为该论文的第一作者。奥地利科学院孟德尔研究所博士后刘海军也参与了该项工作。同时华中农业大学玉米团队、吉林农科院刘相国研究员团队和西双版纳农科所的多位老师与学生参与了该项研究。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、湖北省科技重大专项、瑞典环境农业科学与空间规划研究委员会等项目的资助。

本文转载自Mol Plant植物科学

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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