2020年1月7日，Nature Communications 杂志刊发了由上海交通大学农业与生物学院、中国科学院分子植物科学卓越创新中心、华大基因、山东农业大学、青岛农业大学、美国新泽西州蒙克莱尔州立大学、美国亚利桑那大学及美国罗格斯大学等单位合作完成的重大科研成果，研究团队构建了南非优质蛋白玉米K0326Y品系的基因组，并通过与其他玉米品种进行比较，深入解析了K0326Y基因组的结构变异特征。这项研究全面挖掘了K0326Y品系玉米潜在的硬质胚乳修饰因子，为玉米的品种改良和分子育种提供了新的数据支撑。

01 为什么要构建QpM玉米基因组？

玉米为全球数亿人提供赖以生存的主食，但它在营养结构上存在天然缺陷，必需氨基酸含量不足，导致长期主食玉米的发展中国家人群营养不良症高发。

已有研究表明，玉米胚乳中的主要蛋白是玉米醇溶蛋白，其组分当中缺乏赖氨酸和色氨酸这两种人体必需氨基酸。Opaque-2（O2 ）基因是玉米醇溶蛋白基因家族的重要转录因子，O2 基因突变能大幅提高玉米必须氨基酸的含量，但也会使得玉米胚乳由硬质变为粉质，而粉质胚乳的玉米在农业种植中更易遭受虫害，又不易存储和运输。好在科学家们经过长期努力，不断向o2 突变体中导入o2 修饰因子，成功培育出了优质蛋白玉米品种，兼顾了玉米籽粒的高营养品质和硬质胚乳形态。

由于不同品种的玉米基因组之间有丰富的遗传结构差异，导致已有玉米基因组不能全面反映QpM品种的遗传特征，QpM品种的基因组构建因此显得必要且迫切。


图1：胚乳形态不同的玉米外观，从左至右胚乳硬质程度依次增高


图2：从左至右依次为普通玉米、o2 突变体粉质胚乳玉米、QpM硬质胚乳玉米籽粒剖面，乳白色为淀粉聚集区

02QpM玉米基因组概况

研究团队以南非优质蛋白玉米品种QpM当中的K0326Y品系（营养高，胚乳硬质）为材料，采用长读长测序、Bionano Genomics光学图谱和短读长测序相结合的策略，组装获得了大小为2.148 Gb，contig N50 为7.7 Mb的玉米基因组，注释得到38,238个基因，60,475个转录本。该基因组重复序列含量高达83.32％，研究人员在10条染色体中鉴定出136,191个高可信度的完整长末端重复序列（LTR）。高质量的基因组图谱及注释信息为深入揭示QpM玉米o2 修饰因子的遗传特征提供了坚实基础。


图3：QpM基因组图谱

03 哪些遗传变异及结构元件与玉米胚乳形态相关？

通过与已发表的B73、Mo17玉米基因组进行比较分析，研究人员发现，K0326Y基因组总体上与两者具有较高的一致性，但相比之下，K0326Y基因组上存在大量SNp、InDel，以及大的结构变异。进一步研究发现，K0326Y具有3,568个pAV基因，其中631个基因相对于W64Ao2 品系（营养高，胚乳粉质）表达量上调，上调基因与玉米淀粉的合成、代谢过程及ATp酶的活性相关。研究人员在K0326Y基因组的1号染色体和4号染色体上各找到1个该基因组特有的倒位，据推断，这里的倒位可能与玉米的温、热带差异相关。研究还发现K0326Y中的O2 基因在起始密码子（ATG）上游249bp处插入了一个长度为4,958 bp的rbg转座子，该因子可能造成了K0326Y中O2 基因表达下调。


图4：硬质胚乳玉米籽粒透光


图5：粉质胚乳玉米籽粒不透光

04 QpM硬质胚乳是如何形成的？

通过对两组QpM和o2 突变体的玉米进行差异表达比较分析，研究人员从1,791个共差异表达基因当中筛选出一些与胚乳形态相关的候选基因， 这些候选基因发生了结构变异和表达水平变化，同时它们位于BSA-seq（K0326Y和W64Ao2 的F2群体）定位区间内。以pfpα 基因为例，这个基因在QpM品种中的转录和蛋白表达均比普通玉米和粉质胚乳的o2 突变体更为活跃；与Mo17和B73品种的玉米相比，K0326Y基因组上pfpα 基因的启动子区域有983 bp的Helitron插入。


图6：pfpα 基因与o2 突变体玉米胚乳遗传修饰相关

研究人员推测，可能是pfpα 基因表达上调修复了o2 玉米胚乳中的糖酵解过程，为硬质胚乳结构中重要蛋白体的合成过程供能，形成了类似普通玉米当中淀粉与蛋白体高度结合的复合体，从而改变了o2 突变体胚乳当中淀粉粒散在的粉质形态，恢复了玉米胚乳的硬质形态。


图7：o2 粉质胚乳向QpM硬质胚乳转换的分子机制模型

总的来说，该研究团队通过QpM玉米品种中K0326Y品系基因组的构建及遗传特征分析，找到了与QpM玉米硬质胚乳形态密切相关的遗传结构元件，提出了解释o2 突变体玉米中粉质胚乳向QpM玉米中硬质胚乳转换的分子机制模型。

参考资料：

Li, C., Xiang, X., Huang, Y. et al. Long-read sequencing reveals genomic structural variations that underlie creation of quality protein maize. Nat Commun 11, 17 (2020) doi:10.1038/s41467-019-14023-2 （https://doi.org/10.1038/s41467-019-14023-2 ）