玉米不僅是世界上種植最廣泛的作物，也是基礎(chǔ)研究的模式物種之一。玉米起源于墨西哥西南部，其野生同族物種統(tǒng)稱為大芻草。野生大芻草雖然僅在墨西哥和中美洲地區(qū)分布，但存在適應(yīng)多種不同環(huán)境的亞種，如可適應(yīng)炎熱、潮濕的中美洲環(huán)境的Zea nicaraguensis，可適應(yīng)寒冷、干旱的墨西哥中部高原環(huán)境的Zea mays subsp. mexicana。玉蜀黍?qū)俚倪@些特性使其可作為研究適應(yīng)性進(jìn)化的理想模式物種，通過對(duì)玉蜀黍?qū)龠m應(yīng)性進(jìn)化的遺傳機(jī)制進(jìn)行剖析，將為利用野生資源培育可適應(yīng)未來劇烈氣候變化作物提供新的契機(jī)。

      

 

 

圖1. 大芻草的地理和形態(tài)分布

      

      北京時(shí)間10月20日晚，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)戴維斯分校Jeffrey Ross-Ibarra團(tuán)隊(duì)等單位合作在Nature Genetics發(fā)表了題為Genome sequencing reveals evidence of adaptive variation in the genus Zea的研究論文。該研究利用玉蜀黍?qū)?個(gè)野生亞種共計(jì)237份材料和507份現(xiàn)代玉米自交系材料，構(gòu)建了玉蜀黍?qū)俚倪z傳變異圖譜，揭示了玉蜀黍?qū)龠m應(yīng)性進(jìn)化的遺傳機(jī)制。

      

 

 

      

      研究發(fā)現(xiàn)，玉蜀黍?qū)俚牟煌瑏喎N在距今約120，000年前開始分化，并在距今68,000年左右，快速分化成為現(xiàn)在的7個(gè)亞種，并進(jìn)一步馴化成現(xiàn)代玉米。在不同玉蜀黍?qū)傥锓N間，存在著大量的基因滲入，表明基因交流在作物適應(yīng)環(huán)境過程中發(fā)揮重要作用。在玉蜀黍?qū)俚倪M(jìn)化過程中，不同亞種積累了大量特有的遺傳變異，包括大量的轉(zhuǎn)座子變異與倒位。

      

圖2. 基于組學(xué)數(shù)據(jù)重構(gòu)玉蜀黍?qū)龠M(jìn)化歷史

      

      趨同進(jìn)化現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，發(fā)生了趨同進(jìn)化的性狀常常具有重要的適應(yīng)性或經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)玉蜀黍?qū)俨煌瑏喎N的適應(yīng)性研究發(fā)現(xiàn)，玉蜀黍?qū)僭诨蚪M水平上存在趨同進(jìn)化的特征，特別是高原大芻草和高緯度（溫帶）玉米，在適應(yīng)性進(jìn)化過程中，趨同選擇的基因組位點(diǎn)和差異表達(dá)基因明顯富集。對(duì)全基因組水平鑒定到的適應(yīng)性基因進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，高原大芻草和溫帶玉米在適應(yīng)過程中都選擇了控制開花的基因，這個(gè)結(jié)果對(duì)理解自然選擇和人工選擇在物種適應(yīng)性進(jìn)化過程中的作用提供了參考案例。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步篩選了一批調(diào)控玉米開花期的關(guān)鍵基因，并利用分子生物學(xué)手段，證明了一個(gè)在高原大芻草和溫帶玉米中均受到選擇的基因ZmPRR7，和一個(gè)僅在溫帶玉米中受到選擇的基因ZmCOL9，在調(diào)控玉米開花過程中發(fā)揮了重要作用。

      

      該研究對(duì)玉蜀黍?qū)俚倪z傳變異和進(jìn)化歷史進(jìn)行了深入解析，為玉米適應(yīng)性改良提供了重要的理論基礎(chǔ)和遺傳資源。研究結(jié)果表明，在人口增長、氣候變化下，研究作物遺傳多樣性特別是野生資源多樣性，尋找丟失的等位基因?qū)ξ磥碜魑镞z傳改良和保障糧食安全具有重要價(jià)值。該研究也是團(tuán)隊(duì)前期在構(gòu)建了玉蜀黍泛基因組（點(diǎn)擊查看：Genome Biology | 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米團(tuán)隊(duì)構(gòu)建玉蜀黍?qū)俪?jí)泛基因組圖譜，助力玉米遺傳改良）和解析玉米和水稻趨同選擇機(jī)制（點(diǎn)擊查看：Science | 中國農(nóng)大/華中農(nóng)大聯(lián)合團(tuán)隊(duì)揭示玉米和水稻趨同選擇的奧密）基礎(chǔ)上的進(jìn)一步延伸。

      

      值得一提的是，多位同行專家對(duì)該工作給予了好評(píng)，德國慕尼黑赫姆霍茲中心Klaus F.X. Mayer教授認(rèn)為：“這項(xiàng)研究產(chǎn)生了大量大芻草數(shù)據(jù)，而玉米馴化自大芻草，研究來自不同地區(qū)大芻草的遺傳多樣性、玉蜀黍?qū)俚倪M(jìn)化歷史等有著十分重要的意義，研究在馴化過程中丟失的等位基因?qū)槲磥磉z傳育種開辟新的道路”。Nature Genetics編輯Wei Li博士認(rèn)為：“這項(xiàng)研究之所以引人注目，是因?yàn)槠渚脑O(shè)計(jì)了大芻草種質(zhì)資源的采樣，構(gòu)建了高密度的玉蜀黍?qū)伲ㄓ衩准捌湟吧惾海┻z傳變異圖譜。該研究不但提供了整個(gè)屬的遺傳多樣性資源，而且擴(kuò)大了人們對(duì)于玉蜀黍?qū)仝呁m應(yīng)和適應(yīng)性進(jìn)化位點(diǎn)在玉米改良中潛在應(yīng)用的認(rèn)知。”

      

      華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)建兵教授、楊寧教授，加州大學(xué)戴維斯分校Jeffrey Ross-Ibarra教授為該論文的通訊作者，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)已畢業(yè)博士研究生陳露（現(xiàn)中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士后）、博士后羅靚赟、金敏亮和楊寧教授為該論文的共同第一作者。嚴(yán)建兵課題組多位學(xué)生和博士后參與了該研究，同時(shí)吉林農(nóng)科院劉相國研究員團(tuán)隊(duì)、Jeffrey Ross-Ibarra教授團(tuán)隊(duì)、德州農(nóng)工大學(xué)Julio S. Bernal博士、北卡羅來納州立大學(xué)Rubén Rellán-Álvarez博士、賓夕法尼亞州立大學(xué)Ruairidh JH Sawers博士、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)楊小紅博士、愛荷華州立大學(xué)Matthew B. Hufford博士、德國馬普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie博士、美國農(nóng)業(yè)部Marilyn L. Warburton博士等也參與了該研究。該工作得到了科技部國際合作重大專項(xiàng)，中國和美國國家自然科學(xué)基金和湖北省科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

      

      據(jù)悉，論文第一作者陳露博士于2011-2015年在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生物信息專業(yè)就讀，2015-2020年在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)基因組學(xué)專業(yè)碩博連讀，獲理學(xué)博士學(xué)位。在研究生學(xué)習(xí)期間，圍繞玉米演化機(jī)制這一重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的研究策略取得系列創(chuàng)新成果，以第一作者（含共同）在Science，Nature Genetics, Molecular Plant, New Phytologist等期刊發(fā)表4篇論文，同時(shí)積極參與多個(gè)合作項(xiàng)目，作為參與作者在Nature Genetics, Nature Communications, Genome Biology等期刊發(fā)表7篇論文。

      

      論文鏈接：

      

      https://www.nature.com/articles/s41588-022-01184-y