7月18日晚，我校生命科學(xué)學(xué)院,、亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室王海洋教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所玉米優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團(tuán)隊(duì)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所玉米功能基因組創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等在《自然-植物（Nature Plants）》（影響因子17.352）在線(xiàn)發(fā)表了題目為“Genomic Insights into Historical Improvement of Heterotic Groups during Modern Hybrid Maize Breeding”的研究論文,，文章揭示了玉米父、母本雜種優(yōu)勢(shì)群趨同與趨異選擇的遺傳規(guī)律,，解析了玉米基因組分化特征及其對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的貢獻(xiàn),，通過(guò)總結(jié)過(guò)去，將玉米育種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)理論化,，為新時(shí)期玉米自交系創(chuàng)制和雜種優(yōu)勢(shì)利用提供理論指導(dǎo),。針對(duì)此項(xiàng)工作，在同期配發(fā)了德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)專(zhuān)家的新聞評(píng)論,，給予了高度的評(píng)價(jià),。

玉米是世界，也是我國(guó)的第一大作物,，在保障全球和我國(guó)糧食安全方面具有不可替代的作用,。玉米雜交種（單交種）與其父母本相比，具有很強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì),。玉米單交種自從20世紀(jì)60年代開(kāi)始在生產(chǎn)上大面積推廣,，迄今其利用率已達(dá)到近100%。玉米單交種是由分別來(lái)自母本雜種優(yōu)勢(shì)群和父本雜種優(yōu)勢(shì)群的自交系雜交組配而成,，而雜優(yōu)模式是指特定的母本群和父本群中個(gè)體雜交后具有強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)的配組方式,。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)外（美國(guó)為主）形成了SS系,、NSS系和Iodent系三個(gè)主要雜種優(yōu)勢(shì)群,，而我國(guó)除了引進(jìn)國(guó)外的SS、NSS,、Iodent種質(zhì)資源外,，還形成了我國(guó)獨(dú)特的SPT,， PA和PB等新的雜種優(yōu)勢(shì)群。生產(chǎn)上SS和PA系常用做母本,，而NSS,、Iodent、SPT和PB系常用做父本,。國(guó)內(nèi)外半個(gè)多世紀(jì)的育種史表明,，玉米單產(chǎn)水平的提升（3倍以上）主要取決于父、母本雜種優(yōu)勢(shì)群的持續(xù)改良和雜優(yōu)模式的優(yōu)化,。然而,，現(xiàn)代育種過(guò)程中父、母本雜種優(yōu)勢(shì)群的遺傳改良規(guī)律及其基因組學(xué)基礎(chǔ)尚不清楚,，導(dǎo)致父,、母本自交系選育和雜交組配效率低、盲目性大,、可預(yù)見(jiàn)性差,，制約著突破性玉米新品種的培育。

為了揭示現(xiàn)代玉米育種過(guò)程中父,、母本雜種優(yōu)勢(shì)群育種選擇的遺傳規(guī)律及其基因組分化特征,，該研究收集整理了1604份國(guó)內(nèi)外不同育種時(shí)期、不同雜種優(yōu)勢(shì)群的代表性玉米自交系,，針對(duì)21個(gè)農(nóng)藝性狀開(kāi)展了多環(huán)境,、多角度的表型精準(zhǔn)鑒定和基于重測(cè)序的基因型精準(zhǔn)鑒定，通過(guò)對(duì)超過(guò)305萬(wàn)個(gè)表型數(shù)據(jù)點(diǎn)和2.2億個(gè)遺傳變異位點(diǎn)的分析,，發(fā)現(xiàn)本研究材料覆蓋了全球主要玉米主產(chǎn)區(qū)育種應(yīng)用的父本群和母本群,，二者經(jīng)歷了“和而不同”育種改良，即農(nóng)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（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(shù)更少,、產(chǎn)量更高、行粒數(shù)更多,、出籽率更高,、籽粒更大、粒重更重方向改良）多與耐密高產(chǎn)育種目標(biāo)相關(guān),，而趨異選擇性狀（穗粗,、穗行數(shù)、軸重性狀在母本群中降低，而在父本群中增加）可能與母本及其雜交種的熟期和籽粒脫水速率相關(guān),。

在此基礎(chǔ)上,，采取全基因組掃描和關(guān)聯(lián)分析策略，挖掘出一批與父,、母本雜優(yōu)群性狀趨同和趨異選擇的重要基因和等位基因,，且發(fā)現(xiàn)父、母本雜優(yōu)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(guān),。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),，現(xiàn)代育種過(guò)程中父、母本雜優(yōu)群之間一些基因組區(qū)域的遺傳分化不斷增強(qiáng),，并且這些基因組區(qū)段或基因的持續(xù)分化是決定玉米雜種優(yōu)勢(shì)的重要遺傳學(xué)基礎(chǔ),。此外，利用基因編輯技術(shù)和***技術(shù)驗(yàn)證了兩個(gè)現(xiàn)代育種過(guò)程中趨同選擇基因ZmEMF1L1和ZmKW10和一個(gè)分化基因ZmKOB1在調(diào)控玉米開(kāi)花期,、籽粒大小和雜種優(yōu)勢(shì)方面的作用,。本研究為玉米雜交種父、母本雜優(yōu)群的遺傳改良,、強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交種的選育及全基因組選擇育種技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與基因資源。

圖1. 玉米種質(zhì)資源的雜種優(yōu)勢(shì)群劃分

圖2. 現(xiàn)代育種選擇基因ZmEMF1L1 (a-e) 和分化基因ZmKOB1 (f-s)的功能驗(yàn)證

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李春輝副研究員為第一作者,，作科所關(guān)紅輝博士,、諾禾致源荊鑫、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)李耀耀博士,、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所王寶寶研究員為并列第一作者,；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王海洋教授、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所王天宇研究員,、黎裕研究員,，加州大學(xué)戴維斯分校Jeffrey Ross-Ibarra教授、諾禾致源焦成智為共同通訊作者,。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助,。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41477-022-01190-2

文圖/生命科學(xué)學(xué)院