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Nat Commun:华中农大严建兵课题组解析野生大刍草对玉米遗传改良的贡献

摘要 : 2017年11月30日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communication》杂志在线发表了华中农业大学玉米团队严建兵教授课题组与生物信息团队陈玲玲教授课题组合作题为“Contributions of Zea mays ssp. mexicanahaplotypes to modern maize”的研究论文。

2017年11月30日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communication》杂志在线发表了华中农业大学玉米团队严建兵教授课题组与生物信息团队陈玲玲教授课题组合作题为“Contributions of Zea mays ssp. mexicanahaplotypes to modern maize”的研究论文。研究借助一种创新的遗传设计,巧妙组装了玉米和大刍草的基因组,解析了玉米野生近缘种大刍草对现代玉米遗传改良的贡献。杨宁博士和徐锡文博士为论文共同第一作者,严建兵和陈玲玲教授为共同通讯作者。

研究表明,现代栽培玉米是大约一万年前由生长在低海拔地区的野生大刍草(Zea maysssp. parviglumis)驯化而来。众所周知,驯化过程极大地降低了作物的多样性,大量优异的基因资源被丢失。利用野生资源进行作物的遗传改良越来越受到育种学家的重视。恰好,另外一种生长在高原地区的大刍草(Zea mays ssp. mexicana)可以与现代栽培玉米自由杂交。这表明,玉米野生近缘种大刍草和现代栽培玉米之间存在一定基因渗透,为现代栽培玉米遗传改良提供了一种新思路。

但是目前,育种学家对两者间基因渗透的范围以及对现代玉米遗传改良的贡献还知之甚少。一个重要的原因是:野生大刍草和现代玉米的基因组大小类似,都高度复杂,有超过85%的重复序列,基因组组装非常困难。

科研团队基于中国农大李建生教授团队之前建立的玉米Mo17与大刍草类蜀黍的回交重组自交系群体,创新性的通过遗传设计把复杂的玉米和类蜀黍的基因组分成100多个小的区段,从而大大降低了基因组复杂性。结合二代和三代测序技术,通过混合组装,组装出了较高质量的玉米和类蜀黍基因组。比较基因组学的分析发现,栽培和野生玉米基因组之间存在大量的结构变异,包括3个百万碱基级别的结构变异,还在第9号染色体上发现一个包含3千万个碱基的倒位,该倒位可以引起玉米叶型等农艺性状的变化。利用公共发表数据,通过对数百个玉米自交系和数十个野生大刍草材料进行比较分析,发现几乎每个玉米材料中都存在少量野生大刍草的基因组片段,总体来看有超过10%的玉米基因组与野生大刍草基因组存在基因渗透,野生大刍草基因组对玉米的适应性,尤其是从平原到高原的适应和改良存在着显著贡献,这些结果值得进一步的深入研究。

基于这种创新的遗传设计,该研究还第一次准确估计出玉米每自交一代可以发生49到89个点突变,其中有害突变更倾向于在近着丝粒区域富集。该研究为下一步深入挖掘来自野生玉米材料中的优异基因,构建玉米泛基因组和玉米的遗传改良提供了宝贵资源和新的思路。

原文链接:

Contributions of Zea mays subspecies mexicana haplotypes to modern maize

原文摘要:

Maize was domesticated from lowland teosinte (Zea mays ssp. parviglumis), but the contribution of highland teosinte (Zea mays ssp. mexicana, hereafter mexicana) to modern maize is not clear. Here, two genomes for Mo17 (a modern maize inbred) and mexicana are assembled using a meta-assembly strategy after sequencing of 10 lines derived from a maize-teosinte cross. Comparative analyses reveal a high level of diversity between Mo17, B73, and mexicana, including three Mb-size structural rearrangements. The maize spontaneous mutation rate is estimated to be 2.17 × 10−8 ~3.87 × 10−8 per site per generation with a nonrandom distribution across the genome. A higher deleterious mutation rate is observed in the pericentromeric regions, and might be caused by differences in recombination frequency. Over 10% of the maize genome shows evidence of introgression from the mexicana genome, suggesting that mexicana contributed to maize adaptation and improvement. Our data offer a rich resource for constructing the pan-genome of Zea mays and genetic improvement of modern maize varieties.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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