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我校玉米團隊跨學科合作開發出玉米雜種優勢利用“新鑰匙”

核心提示: 近日,我校玉米團隊聯合國內相關團隊運用基因組大數據、機器學習和全基因組關聯分析方法,開發出玉米雜種優勢利用“新鑰匙”。

南湖新聞網訊(通訊員 喻彌)玉米是全球最大的糧食和飼料作物之一,全球年產量超過10億噸。玉米還是世界上最早利用雜種優勢,也是利用最徹底的作物之一。近百年來,大量研究人員在水稻、玉米和油菜等作物中,對雜種優勢進行了大量研究。但這些研究往往基於單一遺傳羣體,對雜種優勢的理解存在一定侷限性。

我校玉米研究團隊前期以我國育種中常用的24個玉米骨幹材料,窮十年之功,構建了一個玉米人工合成CUBIC羣體。在此基礎上,為系統解析玉米雜種優勢,該團隊創建了一套迄今為止植物中最大規模的雜交遺傳設計羣體,共42820個F1雜交種,涵蓋30組半同胞F1羣體。這套F1羣體具有廣泛的多樣性,遺傳背景清晰,是研究雜種優勢的理想材料,也能為玉米遺傳育種提供優良的中間材料。2017年,在安徽豐大種業公司的支持下,我校嚴建兵教授和清華大學魯志教授團隊聯合發起玉米雜種優勢預測挑戰賽 (e-Maize Challenge),期待通過挑戰賽,利用提供的基因組學數據和參賽選手的創新性數據分析方法,建立起一個精準、穩健、高效的計算分析方法,實現利用基因組學大數據來精準預測具有強優勢表型的雜交組合。共吸引來自世界各地高校、企業等不同學科和行業的30多個代表隊角逐,中國農業大學王向峯教授團隊最終獲得挑戰賽冠軍。

在挑戰賽的基礎上,各方進一步深度合作,探索基礎、應用和開發的有機融合。經過多年攻關,合作團隊結合基因組大數據、機器學習和全基因組關聯分析方法,在42820個F1雜交種中,系統解析了玉米雜種優勢和特殊配合力形成的遺傳學基礎,研究發現了一個“顯性-互作”共調控模型對雜種優勢形成具有重要貢獻。通過雜交,顯性互補作用大範圍地解除了親本中基因組抑制性互作,激活了親本中被抑制的主效位點的表達,從而在玉米F1上表現為雜種優勢。基於這些基因組設計的雜交組合,多個預測的F1組合已進入區試和釋放階段。

2021年5月10日,相關成果以“The genetic mechanism of heterosis utilization in maizeimprovement”為題,在Genome Biology(《基因組生物學》)上發表。我校植物科學技術學院肖英傑副教授、中國農業大學博士後姜淑琴、西北農林科技大學博士生程前、北京市農林科學院王夏青博士為論文共同第一作者。我校嚴建兵教授、中國農業大學王向峯教授和北京市農林科學院趙久然研究員為共同通訊作者。

相關研究人員表示,通過數學模型決策鑑定雜種優勢基因、尋找性狀改良基因的最優組合模式,同時利用基因編輯技術創制優異變異,有望精準實現育種材料的千里選一、萬里選一,將極大降低育種成本、加速育種進程。

審核人:肖英傑

【hotbuy集運】

In maize hybrid breeding, complementary pools of parental lines with reshuffled genetic variants are established for superior hybrid performance. To comprehensively decipher the genetics of heterosis, we present a new design of multiple linked F1 populations with 42,840 F1 maize hybrids, generated by crossing a synthetic population of 1428 maternal lines with 30 elite testers from diverse genetic backgrounds and phenotyped for agronomic traits.

We show that, although yield heterosis is correlated with the widespread, minor-effect epistatic QTLs, it may be resulted from a few major-effect additive and dominant QTLs in early developmental stages. Floral transition is probably one critical stage for heterosis formation, in which epistatic QTLs are activated by paternal contributions of alleles that counteract the recessive, deleterious maternal alleles. These deleterious alleles, while rare, epistatically repress other favorable QTLs. We demonstrate this with one example, showing that Brachytic2 represses the Ubiquitin3 locus in the maternal lines; in hybrids, the paternal allele alleviates this repression, which in turn recovers the height of the plant and enhances the weight of the ear. Finally, we propose a molecular design breeding by manipulating key genes underlying the transition from vegetative-to-reproductive growth.

The new population design is used to dissect the genetic basis of heterosis which accelerates maize molecular design breeding by diminishing deleterious epistatic interactions.

論文鏈接//genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02370-7

責任編輯:徐行