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北京時間2022年11月18日凌晨0時，中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院/國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展研究院張福鎖院士團隊植物營養(yǎng)基礎(chǔ)創(chuàng)新方向在《自然—植物》（Nature Plants）在線發(fā)表了題為“Genome-wide dissection of changes in maize root system architecture during modern breeding”的研究論文，并同步發(fā)表了題為“Maize root system architecture improvement for high-density planting”的研究簡報。
該研究揭示了隨玉米現(xiàn)代育種改良進程，品種不斷更替，根系構(gòu)型變得逐漸陡峭，以適應高產(chǎn)密植群體；關(guān)鍵基因有利優(yōu)良等位變異得到不斷累積，同時挖掘到控制玉米根系構(gòu)型的2個新基因并初步解析其功能，為基于根系遺傳改良提高作物水肥高效利用提供重要的理論依據(jù)和基因資源。
理想的根系構(gòu)型是實現(xiàn)作物高產(chǎn)和養(yǎng)分高效的重要保障，根系遺傳改良將引領(lǐng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“第二次綠色革命”。長期以來，由于在田間條件下調(diào)查根系表型存在工作量大、通量低、人為誤差大等限制因素，使得大部分根系遺傳研究很難反映田間真實的根系構(gòu)型，且多數(shù)為室內(nèi)模擬條件下苗期根系表型的初定位研究?；谡蜻z傳學挖掘到的作物根系構(gòu)型基因非常有限，其分子調(diào)控機制更知之甚少。因此，開展田間根系構(gòu)型遺傳研究對作物密植增產(chǎn)和水肥高效利用性狀遺傳改良尤為重要。
圖1 現(xiàn)代育種進程中玉米根系構(gòu)型的變化特征
為了提高田間根系表型測定的通量和準確度，研究者所在團隊搭建了基于二維圖像開展根系高通量表型測定平臺，大幅度提高了在田間條件下測定玉米根系構(gòu)型的效率。研究人員利用含有64份美國、114份CIMMYT和200份中國自交系的玉米關(guān)聯(lián)群體，通過2年2點的田間試驗，挖取并定量分析近1.5萬株玉米的根系構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)中國現(xiàn)代玉米育種選擇了陡峭的根系（圖1），與陡峭根系構(gòu)型相關(guān)的有利等位變異也在育種進程中得到不斷累積。研究還解析了不同育種年代間根系相關(guān)基因的選擇特征，揭示了24.3%的已知根系基因在玉米馴化和改良過程中受到了選擇（圖2）。
圖2 現(xiàn)代育種進程中不同育種年代間玉米根系構(gòu)型的選擇特征
研究人員通過全基因組關(guān)聯(lián)分析和基于根系轉(zhuǎn)錄組的共表達分析，發(fā)掘到81個玉米根系構(gòu)型候選基因，并利用轉(zhuǎn)基因玉米明確了其中兩個候選基因（ZmRSA3.1和ZmRSA3.2）的功能。同時發(fā)現(xiàn)這兩個基因?qū)挠欣任蛔儺?，在中國現(xiàn)代玉米育種進程中得到逐漸累積，并在雜交種水平上證明了其在玉米耐密高產(chǎn)中的重要貢獻（圖3）。最后，分子生物學、植物生理學、生物信息學等證據(jù)表明，ZmRSA3.1和ZmRSA3.2通過與生長素響應因子互作，介導生長素通路控制玉米根系生長角度與深度（圖4）。
圖3 玉米根系構(gòu)型候選基因（ZmRSA3.1和ZmRSA3.2）在中國現(xiàn)代育種進程中的貢獻
圖4 玉米根系構(gòu)型候選基因（ZmRSA3.1和ZmRSA3.2）的功能驗證
綜上所述，該研究成果通過根系表型和遺傳學的證據(jù)，系統(tǒng)揭示了中國現(xiàn)代玉米育種改良進程中根系構(gòu)型的演變特征，并且在田間條件發(fā)掘鑒定到的根系構(gòu)型的關(guān)鍵基因，為未來基于根系遺傳改良提高玉米產(chǎn)量與水肥利用效率提供了重要的基因資源。
中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院潘清春副教授、袁力行教授和陳范駿教授為該論文的共同通訊作者，博士后任偉為第一作者。已畢業(yè)及在讀研究生趙龍飛、梁家星、王利鋒、李鵬程、劉志剛、李曉杰、張志海、李結(jié)平、何坤輝、趙政等參與該研究工作。中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院張福鎖和米國華教授、華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室和洪山實驗室嚴建兵教授、中國農(nóng)業(yè)大學作物功能基因組學與分子育種中心陳麗梅副教授參與此項工作。
該研究歷時8年，期間陸續(xù)得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、海南省自然科學基金創(chuàng)新研究團隊項目、海南省科技計劃三亞崖州灣科技城聯(lián)合項目、中國博士后科學基金等項目的資助。
專家點評
Wolfgang Busch教授，美國加利福尼亞州索爾克生物學研究所
“這項了不起的工作對根系構(gòu)型的遺傳基礎(chǔ)以及現(xiàn)代育種對其產(chǎn)生的影響進行了全面而令人印象深刻的研究?？偟膩碚f，這是一個非常令人印象深刻的工作，構(gòu)成了一個重大的研究進展。這項工作將引起廣大植物生物學家的興趣。”
Jun Lyu，高級編輯，《自然-植物》雜志
“關(guān)于根系性狀的GWAS研究非常罕見，因為對根系進行表型測定是十分具有挑戰(zhàn)性的。這項研究之所以突出，是因為對大量的玉米植物的根系構(gòu)型進行了大規(guī)模的表型分析，發(fā)現(xiàn)了控制根系構(gòu)型的有價值的基因，并對玉米馴化和改良過程中的根系進化有了寶貴的見解。”
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41477-022-01274-z
