2020年1月7日,上海交通大学农业与生物学院王文琴团队和中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿团队在Nature Communications杂志上在线发表题为“Long-read sequencing reveals genomic structural variations that underlie creation of Quality Protein Maize”的研究文章。他们通过PacBio三代基因组测序,BSA-seq遗传定位和RNA-seq转录组分析相结合的手段,深入解析了优质蛋白玉米(Quality Protein Maize, QPM)选育的基因组结构变异基础,全面挖掘了潜在的硬质胚乳修饰因子。该工作揭开了困扰世界玉米蛋白品质育种半个多世纪的难解之谜。
图1. 晾晒中的优质蛋白玉米。(照片为云南省农业科学院番兴明教授提供)
玉米是世界第一大粮食和饲料作物,但蛋白营养品质很差,这是由于胚乳中主要储藏蛋白是不含必需氨基酸的醇溶蛋白。o2是高赖氨酸突变体,其醇溶蛋白含量下降了60%,而其它富含赖氨酸的优质蛋白互补性地上升,这样不仅使籽粒总蛋白水平基本不变,而且赖氨酸总含量也随之大幅度增加,然而o2籽粒有很多其它农艺性状上的缺陷,比如软质胚乳,千粒重下降,容易感病等,所以很难直接产业化。从上世纪60年代开始,国际玉米小麦改良中心从o2群体中不断筛选积累o2的修饰因子(o2 modifiers, Mo2s)把软质胚乳恢复成硬质胚乳,同时保持o2的高赖氨酸性状,这种硬质高赖氨酸版本的o2玉米就称作优质蛋白玉米(Quality Protein Maize, QPM)(图1)。优质蛋白玉米是高赖氨酸玉米,营养价值堪与牛奶媲美,其产业化大大改善了南美、非洲和亚洲等一些以玉米为主食的发展中国家人群因缺乏赖氨酸、色氨酸引起的营养不良症。如果生猪用优质蛋白玉米饲养,料肉比显著下降,即用同样量的饲料能使猪增重37%。同时,以优质蛋白玉米作为饲料的另一优势是生猪可以充分吸收并同化玉米蛋白质氨基酸,减少粪便中氮的排放,减少环境污染的压力。
优质蛋白玉米以热带玉米种质为基础育成,当它被引进到温带气候国家,如中国,它面临的主要问题是如何把存在于热带种质中的修饰因子转到温带种质的骨干自交系中。然而,修饰基因和与其相互作用的因子还不知道,导致这个转化过程很漫长,而且最后得到的很多转化系还不是全硬质胚乳,而是半硬质胚乳。这样的品种品相不好,农艺表现不如全硬质胚乳;我国地域和气候差别很大,经过千辛万苦育成的优质蛋白玉米品种的适宜区域非常有限,很难大范围推广,大大制约了优质蛋白玉米的发展。如果优质蛋白玉米具有参考基因组序列并开发胚乳修饰因子的分子标记,这必将大大加快其育种进程, 为社会带来巨大的经济效益。
图2. QPM (K0326Y)基因组全局图
王文琴主要是通过计算生物学及与分子生物学相结合的手段解析能源植物浮萍的淀粉合成调控和玉米品质形成的基因组变异机理。近期获得由国家面上项目支持解读了水生植物的适应机制,并将研究结果发表在了PNAS(An et al, PNAS, 2019)。同时在十三五期间,获得科技部七大作物品质项目的玉米品质子课题的支助,先后解析了玉米自然群体中淀粉品质形成的遗传结构基础(Li et al, Plant Biotechnol J., 2018)及用于玉米品质研究的经典自交系W64A的三代转录组变异(Zhou et al, Plant Biotechnol J., 2019)。为进一步挖掘优质蛋白玉米所有胚乳修饰因子,该课题组与中科院及美国合作者对来自南非的优质蛋白玉米自交系K0326Y基因组进行了三代测序,最终组装出的基因组大小为2148 Mb,contig N50 达到了7.77 Mb (图2)。
图3. QPM修饰因子的模式图
该团队将K0326Y与冷泉港Doreen Ware 团队拼装的B73和中国农业大学赖锦盛团队的Mo17进行比较基因组学分析时,发现K0326Y与其它两个玉米基因组之间有丰富的序列多样性及结构变异,这构成了玉米品种间多样性的主要原因。同时,当对K0326Y和W64Ao2的F2群体进行了BSA-seq分析,对两组优质蛋白玉米和o2突变体(K0326Y vs W64Ao2和CM105Mo2vs CM105o2)进行了RNA-seq分析,他们鉴定到了1,791个共同差异表达基因。结合以上数据,他们发现了一些与多个胚乳修饰因子遗传位点紧密相连的候选基因,这些基因具有结构变异和表达水平的改变等遗传特征。据此并结合近期其他研究成果,他们提出了解释优质蛋白玉米硬质胚乳形成的分子机制模型(图3)。他们构建的高质量优质蛋白玉米基因组以及鉴定出的具有结构变异和表达差异的候选基因将会促进优质蛋白玉米胚乳修饰因子分子标记开发及分子育种。
上海交通大学农业与生物学院李长生和中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后向小利为本论文共同第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士生黄永财,博士后周勇,工作人员王琼,上海交通大学博士后安冬等人参与了该工作。华大基因赵辰曦、山东农业大学刘红军教授、青岛农业大学李玉斌教授、美国新泽西州蒙克莱尔州立大学杜春光教授、长期致力于优质蛋白玉米研 究的美国亚利桑那大学Brian A. Larkins院士,美国罗格斯大学Joachim Messing院士及其博士后董家强也参与了合作。上海交通大学农业与生物学院王文琴和中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿为本文共同通讯作者。这项研究得到了科技部,国家基金委和中科院的大力支持。
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
上海交通大学王文琴团队和中科院团队联合破解优质蛋白玉米育成之谜
本站小编 Free考研/2021-01-02
相关话题/基因 植物
上海交通大学教授薛红卫课题组鉴定到一个调控水稻颖壳细胞形态的关键基因
粒形对水稻产量和种子品质具有重要作用。水稻颖壳的长度和宽度决定种子的粒形,目前已经鉴定了多个调控粒型的因子,研究表明转录调控、翻译后调控、激素信号等通过影响细胞分裂或细胞延伸调控了水稻粒形,但是在细胞层面对颖壳细胞形态调控的机制让了解较少。作为细胞骨架的重要构成成分,微管在细胞形态调控方面具有重要作 ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研 2021-01-02上海交大吴强课题组致远荣誉计划2019级博士生石欣发现基因编辑新切割方式
2019年10月1日,上海交通大学系统生物医学研究院比较生物医学中心吴强课题组在基因编辑领域又取得新进展,国际著名OA学术期刊《细胞发现》发表了题为“Cas9hasnoexonucleaseactivityresultinginstaggeredcleavagewithoverhangsandpre ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研 2021-01-02上海交通大学王文琴课题组揭示水生植物浮萍的进化和环境适应新机制
2019年9月3日,PNAS(美国科学院院报)在线发表了上海交通大学王文琴副教授团队课题组题为“Plantevolutionandenvironmentaladaptationunveiledbylong-readwhole-genomesequencingofSpirodela”的研究成果。该研究 ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研 2021-01-02上海交通大学朱鹤、高维强、李力及复旦大学附属儿科医院孙金峤合作发现:组蛋白甲基化修饰控制抗原受体基因多样性的产生
适应性免疫系统是人们能够在多病原体环境下健康生存的主要保障,也是免疫力的主要“动力输出”。适应性免疫系统主要由T、B淋巴细胞组成,而在淋巴细胞发育早期会经历由RAG1/2复合物起始的抗原受体基因的DNA的VDJ重排,从而产生多样性的抗原受体并最终决定了适应性免疫系统识别抗原的能力1,2。而淋巴细胞发 ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研 2021-01-02上海交大医工交叉研究取得可喜成果 ——成功构建中国汉族人泛基因组分析流程
近日,来自上海交通大学的两个跨学科、跨专业科研团队,通过数年的协作科技攻关,开发了一套针对大规模人类基因组深度测序数据的全新分析系统——人类泛基因组分析系统(HumanPan-genomeAnalysissystem,简称HUPAN)。该方法学的建立为解析人类基因组中尚未被发现的“暗物质”提供了重要 ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研 2021-01-02上海交大团队揭示DNA磷硫酰化基因组修饰异质性特征
近日,上海交通大学生命科学技术学院、微生物代谢国家重点实验室邓子新院士团队由德林教授研究组与张大兵教授团队杨立桃教授研究组合作,在DNA磷硫酰化修饰研究方面取得新进展,在《PLoSGenetics》发表了题为“QuantitativemappingofDNAphosphorothioatomerev ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研 2021-01-02附属胸科医院专家团队在EGFR基因突变研究中取得新进展
2月26日,上海交通大学附属胸科医院肿瘤科主任陆舜教授领衔团队在美国《胸部肿瘤学杂志》(JournalofThoracicOncology)上在线发表了临床研究“超万例大样本NGS分析,揭示EGFR/ERBB2种系突变发生率及其与肺癌发生的相关性(EGFRandERBB2GermlineMutati ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研 2021-01-02上海交通大学代表队在国际基因工程机器大赛获一金一银
北京时间11月23日凌晨,2020年合成生物学领域国际顶尖赛事——国际基因工程机器大赛(InternationalGeneticallyEngineeredMachineCompetition)落下帷幕。疫情期间,此项赛事转为线上进行,吸引了来自麻省理工学院、清华大学、北京大学、上海交通大学等国内外 ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研 2021-01-02基因编辑与高通量功能基因组学
讲座时间:2020-11-119:30讲座地点:闵行校区生命学院生命药学楼树华报告厅主讲人:魏文胜主办单位:生命科学技术学院联系人:邢海娜(xinghaina@sjtu.edu.cn)主讲人简介:魏文胜,北京大学生命科学学院教授,目前同时担任北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC)、北京未来基因 ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-01-02核受体非基因型作用机制及药物开发
讲座时间:2020-10-2814:00-15:00讲座地点:闵行校区系统生物医学研究院一楼报告厅主讲人:张晓坤主办单位:系统生物医学教育部重点实验室联系人:叶青青张晓坤教授是厦门大学药学院院长,国家****,教育部长江讲座教授。张晓坤教授1982年毕业于厦门大学生物学系,1982-1984年任厦门 ...上海交通大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-01-02