华中农大严建兵团队解析玉蜀黍属适应性进化的奥秘

      玉米不仅是世界上种植最广泛的作物，也是基础研究的模式物种之一。玉米起源于墨西哥西南部，其野生同族物种统称为大刍草。野生大刍草虽然仅在墨西哥和中美洲地区分布，但存在适应多种不同环境的亚种，如可适应炎热、潮湿的中美洲环境的Zea nicaraguensis，可适应寒冷、干旱的墨西哥中部高原环境的Zea mays subsp. mexicana。玉蜀黍属的这些特性使其可作为研究适应性进化的理想模式物种，通过对玉蜀黍属适应性进化的遗传机制进行剖析，将为利用野生资源培育可适应未来剧烈气候变化作物提供新的契机。

      

 

 

图1. 大刍草的地理和形态分布

      

      北京时间10月20日晚，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室严建兵团队与加州大学戴维斯分校Jeffrey Ross-Ibarra团队等单位合作在Nature Genetics发表了题为Genome sequencing reveals evidence of adaptive variation in the genus Zea的研究论文。该研究利用玉蜀黍属7个野生亚种共计237份材料和507份现代玉米自交系材料，构建了玉蜀黍属的遗传变异图谱，揭示了玉蜀黍属适应性进化的遗传机制。

      

 

 

      

      研究发现，玉蜀黍属的不同亚种在距今约120，000年前开始分化，并在距今68,000年左右，快速分化成为现在的7个亚种，并进一步驯化成现代玉米。在不同玉蜀黍属物种间，存在着大量的基因渗入，表明基因交流在作物适应环境过程中发挥重要作用。在玉蜀黍属的进化过程中，不同亚种积累了大量特有的遗传变异，包括大量的转座子变异与倒位。

      

图2. 基于组学数据重构玉蜀黍属进化历史

      

      趋同进化现象在自然界中广泛存在，发生了趋同进化的性状常常具有重要的适应性或经济价值。对玉蜀黍属不同亚种的适应性研究发现，玉蜀黍属在基因组水平上存在趋同进化的特征，特别是高原大刍草和高纬度（温带）玉米，在适应性进化过程中，趋同选择的基因组位点和差异表达基因明显富集。对全基因组水平鉴定到的适应性基因进一步分析发现，高原大刍草和温带玉米在适应过程中都选择了控制开花的基因，这个结果对理解自然选择和人工选择在物种适应性进化过程中的作用提供了参考案例。研究团队进一步筛选了一批调控玉米开花期的关键基因，并利用分子生物学手段，证明了一个在高原大刍草和温带玉米中均受到选择的基因ZmPRR7，和一个仅在温带玉米中受到选择的基因ZmCOL9，在调控玉米开花过程中发挥了重要作用。

      

      该研究对玉蜀黍属的遗传变异和进化历史进行了深入解析，为玉米适应性改良提供了重要的理论基础和遗传资源。研究结果表明，在人口增长、气候变化下，研究作物遗传多样性特别是野生资源多样性，寻找丢失的等位基因对未来作物遗传改良和保障粮食安全具有重要价值。该研究也是团队前期在构建了玉蜀黍泛基因组（点击查看：Genome Biology | 华中农业大学玉米团队构建玉蜀黍属超级泛基因组图谱，助力玉米遗传改良）和解析玉米和水稻趋同选择机制（点击查看：Science | 中国农大/华中农大联合团队揭示玉米和水稻趋同选择的奥密）基础上的进一步延伸。

      

      值得一提的是，多位同行专家对该工作给予了好评，德国慕尼黑赫姆霍兹中心Klaus F.X. Mayer教授认为：“这项研究产生了大量大刍草数据，而玉米驯化自大刍草，研究来自不同地区大刍草的遗传多样性、玉蜀黍属的进化历史等有着十分重要的意义，研究在驯化过程中丢失的等位基因将为未来遗传育种开辟新的道路”。Nature Genetics编辑Wei Li博士认为：“这项研究之所以引人注目，是因为其精心设计了大刍草种质资源的采样，构建了高密度的玉蜀黍属（玉米及其野生类群）遗传变异图谱。该研究不但提供了整个属的遗传多样性资源，而且扩大了人们对于玉蜀黍属趋同适应和适应性进化位点在玉米改良中潜在应用的认知。”

      

      华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室严建兵教授、杨宁教授，加州大学戴维斯分校Jeffrey Ross-Ibarra教授为该论文的通讯作者，华中农业大学已毕业博士研究生陈露（现中科院遗传与发育生物学研究所博士后）、博士后罗靓赟、金敏亮和杨宁教授为该论文的共同第一作者。严建兵课题组多位学生和博士后参与了该研究，同时吉林农科院刘相国研究员团队、Jeffrey Ross-Ibarra教授团队、德州农工大学Julio S. Bernal博士、北卡罗来纳州立大学Rubén Rellán-Álvarez博士、宾夕法尼亚州立大学Ruairidh JH Sawers博士、中国农业大学杨小红博士、爱荷华州立大学Matthew B. Hufford博士、德国马普分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie博士、美国农业部Marilyn L. Warburton博士等也参与了该研究。该工作得到了科技部国际合作重大专项，中国和美国国家自然科学基金和湖北省科技重大专项等项目的资助。

      

      据悉，论文第一作者陈露博士于2011-2015年在华中农业大学生物信息专业就读，2015-2020年在华中农业大学基因组学专业硕博连读，获理学博士学位。在研究生学习期间，围绕玉米演化机制这一重大基础科学问题，基于数据驱动的研究策略取得系列创新成果，以第一作者（含共同）在Science，Nature Genetics, Molecular Plant, New Phytologist等期刊发表4篇论文，同时积极参与多个合作项目，作为参与作者在Nature Genetics, Nature Communications, Genome Biology等期刊发表7篇论文。

      

      论文链接：

      

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