《玉米科学》：2017年中国玉米生物学研究进展（中国农业大学）.pdf

玉米科学2018,26(4):1-9 Joumal of Maize Sciences 文章编号:1005-0906201804-0001-09 DOL: 10.13597/j- cnki maize. science. 20180401 2017年中国玉米生物学研究进展宋伟彬,李英男,赵海铭,赖锦盛中国农业大学国家玉米改良中心,北京100193) 要:2017年我国玉米基础研究继续保持快速发展态势,在国内外主流学术期刊发表有重要影响的研究成果。2017年,我国科研人员在91个SC收录期刊发表玉米生物学相关研究论文266篇,其中,在5年平均影响因子超过5.0的期刊发表高水平论文49篇,主要进展集中在基因编辑相关研究、玉米子粒发育遗传调控、玉米抗非生物胁迫基因挖掘和功能研究、玉米抗病基因挖掘及功能分析、玉米重要农艺性状基因/∏s鉴定和克隆、玉米组学研究和玉米育种技术这7个方面关键词:玉米;基因编辑;遗传育种;生物学;基础研究中图分类号:S513.035 文献标识码:A Progress on the Maize Biology Research of China in 2017 SONG Wei-bin, LI Ying-nan, ZHAO Hai-ming, LAI Jin-sheng National Maize Improvement Center of China, China agricultural University, Beijing 100193, China) Abstract: In 2017, the progresses of maize biology research in China were well demonstrated by maintaining the momentum of publishing high impact research articles in top international academic journals. Over the past year, 266 research papers on maize biology were published in 91 SCI journals, among which 49 papers having rela tive high impact factor(IF>5). In summary, important progresses have been made in the following 7 directions: gene editing studies, the genetics regulation of kernel development, the gene discovery for abiotic stresses, the gene dis- for diseases, QTL gene cloning for important agronomic traits, the omics research(transcriptomics, proteomics metabolomics), new technologies for maize breeding Key words: Maize; Gene editing: Genetics breeding: Biology; Basic research 2017年,我国科学家在玉米分子生物学领域取其中,在《 Nature Biotechnology》、《 Nature communica 得了很好的成绩。本文利用文献数据库NCBl、 Web tions》、《PNAS》、《 Plant cell)、《 Molecular plan》等 of Science进行研究论文检索,文献检索时间为论文个高影响力的期刊上发表论文49篇(表2)。尽管在的首次在线发表时间,时间范围界定在2017年1月文献发表的总数上比2016年略少,但是发表文章的 1日至2017年12月31日,论文的通讯作者所在研究质量有所提高,在高影响因子期刊发表的文章数量单位隶属于中国。然后,对检索出的文献进行作者比2016年的45篇多出了4篇,研究内容涉及数量遗单位和在线发表时间进行逐一核实,最终汇总出我传学、功能基因组学、表观遗传学、蛋白质组学等多国玉米科研单位研究人员作为通讯作者在2017年个领域。所发表的研究论文。统计分析结果表明,2017年期本文从7个方面对2017年的研究结果进行综间,我国在91个SCI收录期刊发表论文266篇(表1),述,主要有基因编辑研究、玉米子粒发育遗传调控研究、玉米抗非生物胁迫基因挖掘和功能研究、玉米抗病基因挖掘及功能分析、玉米重要农艺性状基因/ 录用日期:2018-03-03 QTls鉴定和克隆、玉米组学研究和玉米育种技术等。基金项目:国家重点研发计划2017YFD0101104)、国家自然科学基金项目(31671698、国家自然科学基金创新研究群体玉米基因编辑研究 (31421005) 作者简介:宋伟彬,从事玉米遗传育种研究基因编辑已经是当前生命科学研究中很重要的 E-mail:songwb@eau.edu.cn 一个领域,不管是在编辑技术方法扩展,还是在作物赖锦盛为本文通讯作者。E-mail:jai(@eau.edu.cn 遗传改良应用方面,均以惊人的速度在发展。在方

玉米科学 2018，26(4)：1～9 Journal of Maize Sciences 文章编号：1005-0906(2018)04-0001-09 DOI: 10.13597/j.cnki.maize.science.20180401 2017年中国玉米生物学研究进展宋伟彬，李英男，赵海铭，赖锦盛 (中国农业大学/国家玉米改良中心，北京 100193) 摘要：2017年我国玉米基础研究继续保持快速发展态势，在国内外主流学术期刊发表有重要影响的研究成果。2017年，我国科研人员在91个SCI收录期刊发表玉米生物学相关研究论文266篇，其中，在5年平均影响因子超过5.0的期刊发表高水平论文49篇，主要进展集中在基因编辑相关研究、玉米子粒发育遗传调控、玉米抗非生物胁迫基因挖掘和功能研究、玉米抗病基因挖掘及功能分析、玉米重要农艺性状基因/QTLs鉴定和克隆、玉米组学研究和玉米育种技术这7个方面。关键词：玉米；基因编辑；遗传育种；生物学；基础研究中图分类号：S513.035 文献标识码：A Progress on the Maize Biology Research of China in 2017 SONG Wei-bin, LI Ying-nan, ZHAO Hai-ming, LAI Jin-sheng (National Maize Improvement Center of China, China Agricultural University, Beijing 100193, China) Abstract: In 2017, the progresses of maize biology research in China were well demonstrated by maintaining the momentum of publishing high impact research articles in top international academic journals. Over the past year, 266 research papers on maize biology were published in 91 SCI journals, among which 49 papers having rela⁃ tive high impact factor(IF>5). In summary, important progresses have been made in the following 7 directions: gene editing studies, the genetics regulation of kernel development, the gene discovery for abiotic stresses, the gene dis⁃ covery for diseases, QTL gene cloning for important agronomic traits, the omics research(transcriptomics, proteomics and metabolomics), new technologies for maize breeding. Key words: Maize; Gene editing; Genetics breeding; Biology; Basic research 2017年，我国科学家在玉米分子生物学领域取得了很好的成绩。本文利用文献数据库NCBI、Web of Science进行研究论文检索，文献检索时间为论文的首次在线发表时间，时间范围界定在2017年1月 1日至2017年12月31日，论文的通讯作者所在研究单位隶属于中国。然后，对检索出的文献进行作者单位和在线发表时间进行逐一核实，最终汇总出我国玉米科研单位研究人员作为通讯作者在2017年所发表的研究论文。统计分析结果表明，2017年期间，我国在91个SCI收录期刊发表论文266篇(表1)，录用日期：2018-03-03 基金项目：国家重点研发计划(2017YFD0101104)、国家自然科学基金项目(31671698)、国家自然科学基金创新研究群体 (31421005) 作者简介：宋伟彬，从事玉米遗传育种研究。 E-mail：songwb@cau.edu.cn 赖锦盛为本文通讯作者。E-mail：jlai@cau.edu.cn 其中，在《Nature Biotechnology》、《Nature Communica⁃ tions》、《PNAS》、《Plant Cell》、《Molecular Plant》等 12 个高影响力的期刊上发表论文49篇(表2)。尽管在文献发表的总数上比2016年略少，但是发表文章的质量有所提高，在高影响因子期刊发表的文章数量比2016年的45篇多出了4篇，研究内容涉及数量遗传学、功能基因组学、表观遗传学、蛋白质组学等多个领域。本文从 7 个方面对 2017 年的研究结果进行综述，主要有基因编辑研究、玉米子粒发育遗传调控研究、玉米抗非生物胁迫基因挖掘和功能研究、玉米抗病基因挖掘及功能分析、玉米重要农艺性状基因/ QTLs鉴定和克隆、玉米组学研究和玉米育种技术等。 1 玉米基因编辑研究基因编辑已经是当前生命科学研究中很重要的一个领域，不管是在编辑技术方法扩展，还是在作物遗传改良应用方面，均以惊人的速度在发展。在方

2 玉米科学 26卷法方面，中国科学院遗传与发育研究所高彩霞课题组成功地实现了对中国三大粮食作物玉米、水稻和小麦进行单碱基定点突变[1] ，该项研究也预示着未来人们对目标基因的改造更加精准。在技术应用方面，中国农业科学院作物科学研究所谢传晓团队，利用开发的基因编辑系统，以玉米叶夹角为目标性状，把携带定向编辑LG1的玉米植株与一系列受体植物杂交，对玉米 LG1 基因进行了编辑，田间试验还表明，该突变紧凑株型表型具备通过增密从而实现增产的潜力[2] 。基于基因编辑在遗传改良中所显示的巨大应用前景，国内外均投入大量人力和物力不断发掘该技术的潜力，可以预期，在未来的3～5年，我国科学家将在玉米基因编辑技术的研发和应用领域将取得更大突破。表1 2017年我国科研单位在不同期刊发表玉米研究相关文章 Table 1 Numbers of published papers related to maize biology research in different journals by different institutes from China (2017) 期刊名称 Journal name Nat Biotechnol Nature Communications PNAS Plant Cell Nucleic Acids Research New Phytologist Molecular Plant Plant Physiology Plant Biotechnology Journal Journal of Experimental Botany Plant Journal Genetics Sci Rep Plant and Cell Physiology Frontiers in Plant Science Mol Plant Microbe Interact BMC Plant Biology J Proteome Res BMC Genomics Enviromental and Experimental Botany Theretical and Applied Genetics Plant Science Plant Methods Plant Molecular Biology FEBS J European Journal of Agronomy Database-The Journal of Biological Databases and Curation Journal of Integrative Plant Biology Field Crops Research Planta International Journal of Biological Macromolecules J Agric Food Chem International Journal of Molecular Sciences Plant Disease Plos One Anal Bioanal Chem Journal of Plant Physiology Amino Acids Journal of Genetics And Genomics Functional & Integrative Genomics Cytometry A 5年影响因子 5-year averaged impact factor 46.223 13.092 10.414 9.996 9.338 7.857 7.429 7.428 6.657 6.538 6.371 5.092 4.847 4.817 4.672 4.598 4.541 4.430 4.284 4.218 4.152 4.148 4.140 4.132 4.129 4.108 3.974 3.956 3.839 3.696 3.657 3.504 3.482 3.451 3.394 3.306 3.296 3.241 3.236 3.190 3.127 数量 Number 1 2 1 1 1 9 11 6 8 2 5 2 20 1 24 1 8 1 1 1 6 2 1 2 1 1 1 2 2 3 1 7 3 3 16 1 5 1 1 1 1

宋伟彬等:2017年中国玉米生物学研究进展 2玉米子粒发育遗传调控研究重要的非生物胁迫。四川农业大学卢艳丽课题组利用转录组测序的方法全基因组范围内鉴定出干旱响玉米子粒是玉米重要的养份储藏器官,对玉米应的非编码RNA,结果共计鉴定到1769条正义和子粒的发育遗传学研究有助于开展玉品质性状和产反义序列,结合全基因组关联分析和连锁分析等方量性状的协同遗传改良。中国科学院上海生理生化法证明了其非编码RNA中的自然反义转录本与玉研究所巫永睿课题组对经典的玉米胚乳粉质半显性米抗旱性存在着必然的联系;还进一步揭示了这些突变体lour3进行了克隆和功能分析,突变体千粒自然反义转录本如何通过表观调控,改变自身表达重比野生型下降约60%,但植株的营养生长和生殖水平,进而响应干旱胁迫的分子机制,为进一步认识生长没有受到明显影响;克隆结果分析发现,该基因和解析玉米的抗旱机制提供了新的思路。在盐胁编码1个 PLATZ(plant AT- rich sequence- and zinc-迫方面,中国农业大学蒋才富利用郑58和昌7-2所 binding)蛋白,且表现为母本印记,所以导致3为半组配的重组自交系群体,在可控条件下开展了玉米显性遗传效应;表达结果表明, Floury3特异在胚乳耐盐性状QTL位点的鉴定和挖掘;连锁分析发现淀粉细胞中表达,且与RNA聚合酶Ⅲ复合体关键成在3号染色体上鉴定一个控制叶片钠离子浓度的员RPC53和TFC1互作,共同参与tRNA和5 SrrnA1个主效QTL位点(ZmNC1), ZmNL编码1个HKT 转录调控,从而影响胚乳发育和储存物质的合成。tpe转运蛋白/ ZmHKT1基因),昌7-2自交系中的除了 opaque突变体外,子粒致死 defective kernel或 ZmHKTI等位基因上的1个反转座子插入造成该基者 empty percarp)表型也是研究玉米子粒发育很重因功能失活,该突变能够增加积累叶片中的钠离子要的一类突变体,这类型的突变大部分是由一类叫浓度,进而增加玉米对盐分的敏感特性;利用CRIS- 作 pentatricopeptide repeat(PP家族基因突变所导 PR/CAS9技术敲除该基因以后的转基因玉米材料表致。Wang等对玉米子粒致死突变体(dek36进行了现出比敲除以前对盐碱更为敏感; ZmHKTt基因功表型和克隆分析,结果发现,该基因编码1个定位在能的丢失能够增加木质部汁液中钠离子浓度以及增线粒体中的1个PPRE+ subgroup)蛋白(具有线粒体加根到茎的钠离子的转运,这些研究结果表明 RNA编辑等功能),该蛋白与线粒体中能量传递复合 ZmHKTl基因通过吸收木质部汁液中的钠离子来改体 complex、Ⅲ、NⅣ的活性相关,dek36突变体中PP变叶片中的钠离子浓度,进而提高玉米对盐碱的耐基因的突变明显降低上述3个复合体的活性。拟南受性。在大田条件下研究和鉴定玉米耐盐QTL位芥中的同源基因ADEK36突变以后,也出现了胚和点能够解析该复杂性状在复杂环境条件下的遗传学胚乳发育受阻等表型,而且 Atdek36也具有线粒体基础。北京市农林科学院赵久然研究团队通过高通 RNA的编辑功能,拟南芥突变体中的线粒体基因量的分子标记,结合240个DH系群体,利用大田盐 ap4、nad7、 ccmFNI、cmFN2等RNA编辑缺陷,胁迫处理(北京通州盐碱地),以盐处理和对照之间 cmFN、cmFN2、mps12的RNA编辑效率受到严重的株高比值作为耐盐系数作为耐盐表型进行QTL 影响。山东大学谭保才研究组克隆研究了PPH78、发掘;QTL分析结果表明,在玉米第1号染色体存在 PPR78基因突变以后所产生的表型和dek类突变体1个主效QmL位点,该位点能够解释31.2%的表型变基本类似,均不能够发育正常子粒;功能分析发现,异。进一步的基因组分析发现,有两个候选基因该基因能够严重影响线粒体基因nad5的成熟 GRMZM2C007555、 GRMZM2098494与拟南芥中 mRNA的稳定性,通过另外1个等位基因的分析,也的已知抗逆基因ASOS3和ASOS高度同源,该结进一步证明了该基因影响nad5成熟转录本的稳定果为进一步研究这两个基因在玉米中的调控机制奠状态。EMP9基因突变以后影响了线粒体基因定了重要基础。这些非生物胁迫基因的鉴定和分 cmB-43和rs4-35的编辑,进而影响了线粒体的析为玉米抗性分子设计育种提供重要基因资源。呼吸复合体,类似的子粒相关基因的克隆研究还有DEK39、EMPO、ZmDo3、 ZmMYB14等。 4玉米抗病基因挖掘及功能分析 3玉米抗非生物胁迫基因挖掘和功能中国农业大学国家玉米改良中心徐明良课题组多年来一直从事玉米抗病基因的克隆和功能研究。研究该课题组前期通过大量的遗传研究,发现玉米抗矮玉米生产过程中主要遇到的非生物胁迫包括干花叶病有两个主效抗性位点Scmv1和Scmv2,分别旱胁迫、盐胁迫等,其中,干旱是影响玉米生产的最位于第6号染色体短臂和第3号染色体的着丝粒附

4期宋伟彬等：2017年中国玉米生物学研究进展 5 2 玉米子粒发育遗传调控研究玉米子粒是玉米重要的养份储藏器官，对玉米子粒的发育遗传学研究有助于开展玉品质性状和产量性状的协同遗传改良。中国科学院上海生理生化研究所巫永睿课题组对经典的玉米胚乳粉质半显性突变体floury3进行了克隆和功能分析，突变体千粒重比野生型下降约60%，但植株的营养生长和生殖生长没有受到明显影响；克隆结果分析发现，该基因编码 1 个 PLATZ(plant AT- rich sequence- and zincbinding)蛋白，且表现为母本印记，所以导致fl3为半显性遗传效应；表达结果表明，Floury3 特异在胚乳淀粉细胞中表达，且与RNA聚合酶III复合体关键成员 RPC53 和 TFC1 互作，共同参与 tRNA 和 5SrRNA 转录调控，从而影响胚乳发育和储存物质的合成[3] 。除了 opaque 突变体外，子粒致死(defective kernel 或者 empty pericarp)表型也是研究玉米子粒发育很重要的一类突变体，这类型的突变大部分是由一类叫作 pentatricopeptide repeat(PPR)家族基因突变所导致。Wang等对玉米子粒致死突变体(dek36)进行了表型和克隆分析，结果发现，该基因编码1个定位在线粒体中的1个PPR(E+ subgroup)蛋白(具有线粒体 RNA编辑等功能)，该蛋白与线粒体中能量传递复合体complexI、III、IV的活性相关，dek36突变体中PPR 基因的突变明显降低上述3个复合体的活性。拟南芥中的同源基因(AtDEK36)突变以后，也出现了胚和胚乳发育受阻等表型，而且 Atdek36 也具有线粒体 RNA 的编辑功能，拟南芥突变体中的线粒体基因 atp4、nad7、ccmFN1、ccmFN2 等 RNA 编辑缺陷， ccmFN1、ccmFN2、rps12 的 RNA 编辑效率受到严重影响[4] 。山东大学谭保才研究组克隆研究了PPR78、 PPR78基因突变以后所产生的表型和dek类突变体基本类似，均不能够发育正常子粒；功能分析发现，该基因能够严重影响线粒体基因 nad5 的成熟 mRNA的稳定性，通过另外1个等位基因的分析，也进一步证明了该基因影响 nad5 成熟转录本的稳定状态[5] 。EMP9 基因突变以后影响了线粒体基因 ccmB-43 和 rps4-335 的编辑，进而影响了线粒体的呼吸复合体[6] ，类似的子粒相关基因的克隆研究还有DEK39、EMP10、ZmDof3、ZmMYB14 等[7～10] 。 3 玉米抗非生物胁迫基因挖掘和功能研究玉米生产过程中主要遇到的非生物胁迫包括干旱胁迫、盐胁迫等，其中，干旱是影响玉米生产的最重要的非生物胁迫。四川农业大学卢艳丽课题组利用转录组测序的方法全基因组范围内鉴定出干旱响应的非编码 RNA，结果共计鉴定到 1 769 条正义和反义序列，结合全基因组关联分析和连锁分析等方法证明了其非编码RNA 中的自然反义转录本与玉米抗旱性存在着必然的联系；还进一步揭示了这些自然反义转录本如何通过表观调控，改变自身表达水平，进而响应干旱胁迫的分子机制，为进一步认识和解析玉米的抗旱机制提供了新的思路[11] 。在盐胁迫方面，中国农业大学蒋才富利用郑58和昌7-2所组配的重组自交系群体，在可控条件下开展了玉米耐盐性状 QTL 位点的鉴定和挖掘；连锁分析发现，在 3 号染色体上鉴定一个控制叶片钠离子浓度的 1 个主效 QTL 位点(ZmNC1)，ZmNC1 编码 1 个 HKTtype 转运蛋白(ZmHKT1 基因)，昌 7-2 自交系中的 ZmHKT1 等位基因上的1个反转座子插入造成该基因功能失活，该突变能够增加积累叶片中的钠离子浓度，进而增加玉米对盐分的敏感特性；利用CRIS⁃ PR/CAS9技术敲除该基因以后的转基因玉米材料表现出比敲除以前对盐碱更为敏感；ZmHKT1 基因功能的丢失能够增加木质部汁液中钠离子浓度以及增加根到茎的钠离子的转运，这些研究结果表明， ZmHKT1 基因通过吸收木质部汁液中的钠离子来改变叶片中的钠离子浓度，进而提高玉米对盐碱的耐受性[12] 。在大田条件下研究和鉴定玉米耐盐QTL位点能够解析该复杂性状在复杂环境条件下的遗传学基础。北京市农林科学院赵久然研究团队通过高通量的分子标记，结合240个DH系群体，利用大田盐胁迫处理(北京通州盐碱地)，以盐处理和对照之间的株高比值作为耐盐系数作为耐盐表型进行 QTL 发掘；QTL分析结果表明，在玉米第1号染色体存在 1个主效QTL位点，该位点能够解释31.2%的表型变异。进一步的基因组分析发现，有两个候选基因 (GRMZM2G007555、GRMZM2G098494) 与拟南芥中的已知抗逆基因 AtSOS3 和 AtSOS1 高度同源，该结果为进一步研究这两个基因在玉米中的调控机制奠定了重要基础[13] 。这些非生物胁迫基因的鉴定和分析为玉米抗性分子设计育种提供重要基因资源。 4 玉米抗病基因挖掘及功能分析中国农业大学国家玉米改良中心徐明良课题组多年来一直从事玉米抗病基因的克隆和功能研究。该课题组前期通过大量的遗传研究，发现玉米抗矮花叶病有两个主效抗性位点 Scmv1 和 Scmv2，分别位于第6号染色体短臂和第3号染色体的着丝粒附