現代玉米雜種優勢群遺傳演化基因組學基礎獲揭示

 玉米種質資源的雜種優勢群劃分。中國農科院供圖

近日，中國農業科學院作物科學研究所玉米優異種質資源發掘與創新利用團隊聯合華南農業大學、中國農業科學院生物技術研究所等單位研究揭示了玉米父、母本雜種優勢群趨同與趨異選擇的遺傳規律，解析了玉米基因組分化特征及其對雜種優勢的貢獻。該團隊通過總結過去，將玉米育種實踐經驗理論化，為新時期玉米自交系創制和雜種優勢利用提供理論指導。相關研究成果在《自然—植物》（Nature Plants）在線發表。

據作科所研究員王天宇介紹，玉米雜交種（單交種）與其父母本相比，具有很強的雜種優勢。玉米單交種由分別來自母本雜種優勢群和父本雜種優勢群的自交系雜交組配而成，而雜優模式是指特定的母本群和父本群中個體雜交后具有強雜種優勢的配組方式。其自從20世紀60年代開始在生產上大面積推廣，迄今其利用率已達到近100%。

國內外半個多世紀的育種史表明，玉米單產水平的提升主要取決于父、母本雜種優勢群的持續改良和雜優模式的優化。然而，現代育種過程中父、母本雜種優勢群的遺傳改良規律及其基因組學基礎尚不清楚。

該研究收集整理了1604份國內外不同育種時期、不同雜種優勢群的代表性玉米自交系，覆蓋了全球主要玉米主產區育種應用的父本群和母本群，并針對21個農藝性狀開展了多環境、多角度的表型精準鑒定和基于重測序的基因型精準鑒定。

通過對超過305萬個表型數據點和2.2億個遺傳變異位點的分析發現，父本群和母本群的農藝性狀改良既存在趨同選擇也存在趨異選擇。

趨同選擇性狀多與耐密高產育種目標相關，表現為父母本群均向花期更早熟、散粉—吐絲間隔期更短、穗位更低、雄穗分枝數更少、產量更高、行粒數更多、出籽率更高、籽粒更大、粒重更重方向改良。

而趨異選擇性狀可能與母本及其雜交種的熟期和籽粒脫水速率相關，表現為穗粗、穗行數、軸重性狀在母本群中降低，而在父本群中增加。

在此基礎上，該團隊挖掘出一批與父、母本雜優群性狀趨同和趨異選擇相關的重要基因和等位基因，且發現父、母本雜優群中有利等位基因積累的多少與趨同和趨異性狀改良呈高度相關。

進一步研究發現，現代育種過程中父、母本雜優群之間一些基因組區域的遺傳分化不斷增強，并且這些基因組區段或基因的持續分化是決定玉米雜種優勢的重要遺傳學基礎。

此外，該研究進一步驗證了兩個現代育種過程中趨同選擇基因ZmEMF1L1和 ZmKW10和一個分化基因ZmKOB1在調控玉米開花期、籽粒大小和雜種優勢方面的作用。

該研究為玉米雜交種父、母本雜優群的遺傳改良、強優勢雜交種的選育及全基因組選擇育種技術的開發提供了堅實的理論基礎與基因資源。

作科所副研究員李春輝為第一作者，作科所博士關紅輝、諾禾致源荊鑫、華南農業大學博士李耀耀、中國農科院生物技術研究所研究員王寶寶為并列第一作者；作科所研究員王天宇、黎裕，華南農大教授王海洋、加州大學戴維斯分校教授Jeffrey Ross-Ibarra、諾禾致源焦成智為共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國農科院科技創新工程等項目的資助。