华中农大近期科学研究进展

揭示番茄产量性状遗传和驯化基础

近日，华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室叶志彪教授团队通过全基因组关联分析(GWAS)对27个株型相关产量性状进行了系统的高通量遗传解析，揭示了番茄株型相关产量性状的遗传基础，为番茄高产育种奠定了重要理论基础。相关研究以“Genome-wide association study reveals the genetic architecture of 27 agronomic traits in tomato”为题，在线发表于Plant Physiology。

番茄是世界第一大种植和消费蔬菜，也是我国第一大设施蔬菜。近20年来，我国番茄种植面积趋于稳定，但是产量还是稳步提升，这主要是得益于番茄高产新品种和栽培新技术的广泛推广和应用。目前，与产量直接相关的性状（如果实大小）已经得到了很好的研究，共有30多个果实大小QTL被鉴定。然而，其他与产量相关的性状，如花序位置、花序结构和叶片气孔密度等，也对番茄的产量至关重要。因此，了解这些产量相关性状的遗传结构可以为高产育种提供信息。

本研究首先收集了66份来自广西西南部山区的番茄地方品种，并对其进行了重测序。这些地方品种果实小而红，皮薄，具有宝贵的品质和抗性遗传资源。群体遗传学分析显示广西番茄和樱桃番茄（S. lycopersicum var. Cerasiforme，CER）聚类到一起，正好将南美樱桃番茄与非南美樱桃番茄隔开。这个结果说明我国广西番茄种质是番茄在野生番茄在南美经驯化后引入到我国，再经过独立驯化而得到的新亚组，在基因组水平上有其特异性。利用该重测序数据，结合之前已报道的539份番茄种质的重测序数据，构建了改良的番茄单倍型图谱，为番茄研究和育种提供了有价值的资源。对605份(66+539)番茄资源共27个产量相关性状进行表型分析发现，这27个农艺性状之间具有较强的表型相关性。利用高分辨率单倍型图谱，对这27个性状进行了GWAS，共鉴定到了129个QTL位点。进一步对这129个关联显著位点与番茄驯化改良过程中的受选择位点进行比较发现，在番茄育种过程中，特别是改良过程中，共有25个产量相关性状对应的51个信号位点受到人工选择。本研究为番茄驯化改良过程中产量相关性状的驯化提供了遗传基础，

对候选位点分析发现，除了一些功能已知的调控基因之外，还发现了很多可信度高的候选基因。例如，叶片气孔密度的GWAS定位到一个编码铝活化苹果酸转运体的候选基因SlALMT15。利用CRISPR/cas9技术敲除SlALMT15不仅证实了其在气孔形成中的作用，而且揭示了其在番茄干旱胁迫耐受中的重要作用。

本研究揭示了番茄重要产量相关性状的遗传和基因组基础，为番茄的分子标记辅助育种和改良提供了丰富的信息。华中农业大学园艺林学学院叶杰副教授，王文乾博士后及康奈尔大学博士后王昕为论文并列第一作者，华中农业大学叶志彪教授和康奈尔大学费章军教授为论文通讯作者。

发布和解析水稻无缺口参考基因组

6月22日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室水稻研究团队联合广西大学、美国堪萨斯州立大学等多所高校合作完成籼稻珍汕97和明恢63的无缺口（gap-free）参考基因组，系统分析了着丝粒结构和位于11号染色体末端水稻抗性相关的结构变异区域。相关研究以“Two Gap-free Reference Genomes and a Global View of the Centromere Architecture in Rice”为题发表于Molecular Plant。

亚洲栽培稻主要分籼稻和粳稻两大类，其中，籼稻占全球水稻产量70%以上，且比粳稻具有更多遗传多样性。过去30年中，籼稻品种ZS97和MH63已成为水稻育种和基因组学重要模型系统，其杂交后代汕优63（SY63）是我国迄今种植面积最广的杂交水稻。本研究以ZS97和MH63为对象，采用高深度HiFi和CLR测序，结合多种组装方法和策略，完成它们无缺口基因组的组装解析，并对新的序列进行了精确注释，为阐明杂种优势机理夯实了基础。

▲两套无缺口参考基因组的共线性比较

通过比较两个水稻基因组各条染色体上的变异区域，研究团队发现在两者在11号染色体长臂末端存在大量结构变异（SVs），MH63中存在一个820 kb扩展区域（MH-E）和一个860 kb插入区域（MH-I），富含大量抗性相关基因。进一步在15个高质量水稻基因组中比较分析，发现它们均没有同时含有完整的MH-E和MH-I区域，MH63的独特基因组特征可部分地解释其对水稻病害的优良抗性。

研究团队首次定位了水稻完整的着丝粒区域，发现ZS97和MH63不同染色体的着丝粒区长度从0.6 Mb到1.8 Mb不等，差异很大。ZS97和MH63中着丝粒周边区域（着丝粒特异组蛋白CenH3的ChIP-Seq信号富集区）分别含有395和539个non-TE基因，其中约41%的基因转录并在多个组织中表达，而富含CentO重复序列的区域non-TE基因转录比例极低，表明大多数活跃转录的基因位于着丝粒的周围区域。在ZS97和MH63着丝粒区域分别鉴定到40和25个在其他水稻基因组中没有的基因，其中一些基因是这两个基因组所特有的，而有些则是由于其他水稻参考基因组的组装不完整而被遗漏的基因。CentO系统发育树分析表明，相同染色体之间比不同染色体之间的CentO相似性更高，支持CentO序列局部同质化的重复扩增事件模型。对着丝粒结构和基因含量的详细研究，尤其是对功能性着丝粒区的基因及其家族分析，将为解析杂种优势机理提供更全面的基础。

水稻是全世界主要主食之一，也是植物基因组学和育种的模型系统，是近20年前第一个测定基因组的作物。然而，迄今为止所有正式发表的高等生物参考基因组都包含缺口/缺失序列，华中农业大学水稻团队早在2020年底即在BioRxiv预印公布了两个籼稻的无缺口参考基因组序列，填补了全球基因组学领域空白。此次正式见刊报道的成果是植物中首例无缺口参考基因组，不仅为全面解析水稻着丝粒的结构和功能提供机会，促进了解植物的基因组结构和功能，而且对利用基因组育种手段培育21世纪农业气候适应性品种具有长期和持久影响。

华中农业大学博士毕业生宋佳明（现广西大学预聘副教授）、博士研究生谢文召和王朔为共同第一作者，美国堪萨斯州立大学Jesse Poland副教授、广西大学陈玲玲教授和华中农业大学张建伟教授为论文共同通讯作者。华中农业大学水稻研究团队张启发院士和美国亚利桑那大学Rod A. Wing教授参与项目指导。

研发出高通量表型组新技术揭示玉米抗旱遗传机制

▲结合表型组和全基因组关联分析揭示玉米抗旱遗传机制。a.高通量作物表型平台及实验设计；b.高光谱成像（HSI）、微型CT、RGB图像分析及图像性状i-traits提取；c.干旱胁迫相关图像性状筛选和后续功能基因挖掘

▲玉米干旱胁迫响应图像性状i-traits的遗传解析。a.基因和图像性状i-traits的关联网络;b.候选基因在糖代谢通路富集；c.候选基因在磷酸肌醇代谢通路富集

▲候选基因ZmcPGM2的抗旱功能验证。a. ZmcPGM2在不同干旱胁迫下的表达分析; b.单倍型分析；c.突变体和野生型叶片失水率比较；d-e.突变体和野生型干旱胁迫下存活率比较；f-i.突变体和野生型干旱胁迫下光合表型比较；j-k.突变体和野生型在正常浇水和干旱胁迫下花期表型 (ASI) 比较

▲候选基因和图像性状i-traits预测玉米存活率。a.利用全基因组选择模型对玉米存活率进行预测；b.利用15个图像性状i-traits预测玉米存活率；c-f. 15个图像性状预测4个光谱指数

近日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和湖北省洪山实验室代明球教授与杨万能教授团队联合研发出一种玉米抗旱高通量表型组技术，揭示了玉米抗旱的遗传基础。相关研究以“Using high-throughput multiple optical phenotyping to decipher the genetic architecture of maize drought tolerance”为题发表于国际学术期刊Genome Biology。

近年来，日益频繁的气候干旱已成为导致玉米减产的主要自然灾害之一，严重的干旱甚至会导致玉米颗粒无收，造成巨大经济损失。因此，如何有效的提高玉米的耐旱性，培育抗旱新品种是保障粮食安全的迫切需求。

玉米抗旱研究离不开高通量表型精准鉴定，但由于“表型瓶颈”，即传统的干旱表型性状获取手段存在测量通量低、耗时费力、精度不高、破坏性等缺点，目前已经不能满足飞速发展的植物抗逆基因组学研究的需求，严重阻碍了玉米抗旱资源的挖掘。近年来，以智能化、高通量、动态无损测量为主要特征的表型组学技术迅猛发展，使得多时空多尺度表型检测成为可能，可实现作物全生育期表型动态精准鉴定。

该研究基于华中农业大学高通量作物表型平台，结合高光谱、微型CT、RGB多光学成像技术对368份玉米自然群体材料在多个生长时期、正常浇水和干旱胁迫下的玉米表型进行连续无损检测，并自主研发多光学图像批处理程序分析并提取图像性状(Image-based traits, i-traits)，通过筛选最终获得10,080个与干旱胁迫相关的图像性状 i-traits。

研究团队结合全基因组关联（GWAS）分析鉴定到2,318个与干旱胁迫相关的候选基因，结合候选基因通路富集分析结果构建了基因和图像性状的关联网络。为了验证候选基因在调控光谱表型和抗旱性上的生物功能，团队进一步从候选基因中筛选、确定了2个未知抗旱功能的基因ZmcPGM2（参与糖代谢）和ZmFAB1A（参与磷酸肌醇代谢）。基于突变体的研究表明，ZmcPGM2和ZmFAB1A能够调控相应表型并负调控玉米抗旱。

团队进一步对干旱胁迫响应相关图像性状i-traits进行分析，筛选到15个图像性状i-traits能够很好的预测玉米存活率，且这15个图像性状和已知光谱指数（红谷、绿峰、绿谷、红边等）具有较高相关性，预示着它们在玉米的抗旱育种改良中可能具有重要的应用价值，可作为潜在的干旱胁迫响应相关生物标记。

本研究提出了一种玉米抗旱基因挖掘的新思路和新方法，并基于本方法揭示了玉米抗旱的遗传基础以及驯化和改良中丢失的潜在抗旱位点，为玉米抗旱遗传改良和抗旱育种提供了新的基因资源和丰富的遗传“宝库”。

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室博士生伍玺和信息学院冯慧老师为论文的共同第一作者，代明球教授和杨万能教授为共同通讯作者。

由于篇幅所限，今天所分享的仅为近期华中农业大学科学研究成果的一部分。更多科研动态，欢迎点击文末“阅读原文”，浏览华中农业大学南湖新闻网科学研究专题进一步了解。

文 | 叶杰 谢文召 王朔 标行

原标题：《华中农大近期科学研究进展》

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