2022-11-18
《Nature》
影响因子：69.504
中国科学院分子植物科学卓越创新中心
恭喜中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究团队在国际期刊《Nature》发表新研究成果！本研究成功从野生玉米中克隆出控制玉米高蛋白品质形成和氮素高效利用的关键变异基因THP9，能显著提高杂交种籽粒蛋白含量。
一、研究背景
植物的种子含有如碳水化合物等储存的代谢产物，这些产物对种子萌发、各种动物和人类生存发展都十分重要。因此育种家一直致力于基因改造，以创造出具有更大代谢产物比例的种子。随着玉米大量用作牲畜饲料，淀粉含量成为主要关注点，而对蛋白质含量和风味的关注较少，导致现代玉米只含有5-10%的蛋白质；而大刍草（Teosinte），玉米的野生祖先，蛋白质含量为20-30%，其控制玉米总蛋白含量和高氮素利用的关键基因一直未找到，而植物蛋白质未来可能在人类饮食中将发挥更大作用。因此，未来的玉米育种必须具有更高氮利用率和高蛋白含量。
本研究为了确定导致玉米和Teosinte蛋白质含量差异的基因，分析了它们杂交后代，并对影响这一性状的数量性状基因座（QTL）进行了表征。对Teosinte单倍型基因组进行了测序，并定位了与种子中高蛋白含量相关的基因位点，并成功克隆Teosinte高蛋白基因座THP9，为玉米高蛋白种质培育提供了重要参考。
二、研究材料与文章思路
1、实验材料
基于高蛋白含量的野生玉米（Teosinte）与B73自交系杂交构建高世代近等基因系群体，分别对群体BC4（n=500）、BC6（n=1314）以及BC8（n=1344）进行了3次大规模高蛋白遗传群体的测序与定位，最后利用BC9 (n = 2,000)进行了精细定位。
2、研究思路图
三、本文重要研究结果
本研究收集了20个野生玉米种，从中筛选出一个高蛋白含量的代表株，Ames 21814，基于HiFi数据和Hi-C数据成功组装出该野生玉米高杂合的复杂基因组。
此外本研究成功攻克野生玉米与现代玉米B73杂交单向不亲和难题，构建了超F10的高世代近等基因系家系群体，并对群体BC4（n=500）中的高低蛋白含量的子代构建了DNA混池，进行了BSA混池关联分析，定位到Chr.9上的130Mb-160Mb的区域，该区域包含了315个Teosinte渗入基因，该位点被命名为TEOSINTE高蛋白9。此外，又对BC6（n=1314）以及BC8（n=1344）群体同样进行了BSA混池关联分析，验证了BC4群体定位结果。后续又利用构建的BC9 (n = 2,000) 群体进行了精细定位，最终将后续区域缩小到150 kb范围内，包含有3个候选基因。
图THP9基因的图位克隆与蛋白含量测定
四、研究结论
该研究团队在三亚南繁基地进行了大规模田间试验，将野生玉米高蛋白基因Thp9-T杂交导入我国推广面积最大的玉米生产栽培品种郑单958中，可以显著提高杂交种籽粒蛋白含量，表明该基因在培育高蛋白玉米中具有重要的应用潜能。
巫永睿课题组于2019年携手派森诺，已成功在《Plant Cell》杂志发表玉米高分文章，基于BSA分析策略成功挖掘出玉米早期胚乳发育过程中的关键基因，揭示了早期胚乳细胞数目增殖决定最终籽粒大小的重要分子机理。
让我们来看看小小BSA如何具有定位大功效
（一）BSA基本概念
BSA(Bulked-Segregant Analysis)即集群分离分析法，利用差异目标性状的两个亲本构建家系，在子代分离群体中选取目标性状个体构建DNA混合池，采用高通量测序技术对混池DNA进行建库测序，开发全基因组范围内的SNP、InDel分子标记，以通过计算SNP、InDel的基因型频率，在基因组范围内检测与目标性状相关联的位点与基因，然后对候选基因进行功能注释，进一步探究控制目标性状的基因及其分子机制。
（二）BSA整体实验+测序分析路线
（三）派森诺BSA云平台优势
派森诺BSA性状定位也拥有云平台，聚力四种分析方法、更有自定义分析，一键帮您解锁性状定位的隐藏关卡！实现数据上传、参数自主调整、多种方法在线交并集、目标区域序列提取、引物设计......众多个性化分析服务，满足您的定位需求。
本文章的BC4&BC6两个群体的BSA性状定位项目工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。如需进一步讨论，欢迎发邮件或者致电我们哟（邮箱地址：genome_support@personalbio.cn，联系电话：021-64502808-8203）！
再次恭喜巫永睿老师恭喜黄永财博士！！十年磨一剑，出鞘天下知，从Plant Cell到Nature派森诺动植物基因组测序服务一路相伴！期待与更多的老师长期合作。
文章索引：
Huang,Y., Wang,H., Zhu,Y. et al. THP9 enhances seed protein content and nitrogen-use efficiency in maize. Nature(2022). doi.org/10.1038/s41586-022-05441-2.
