华中农大近期科学研究进展

解析玉米产量调控的新机制

近日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室、湖北洪山实验室张祖新教授课题组研究成果以“An ethylene biosynthesis enzyme controls quantitative variation in maize ear length and kernel yield”为题在Nature Communications发表。

该研究鉴定了一个控制玉米果穗长度、每行籽粒数、每穗籽粒数目和籽粒产量的多效性QTL，证实了一个乙烯生物合成的关键基因ZmACO2为该QTL的功能基因，首次揭示了该基因控制花序中内源乙烯生物合成水平、影响小花败育率进而控制穗粒数的新机制。

玉米是世界上最重要的禾谷类作物之一，其籽粒中的贮藏物质可用以满足日益增长的人口对膳食、工业原料和生物燃料等的需求，因而，玉米籽粒产量的遗传改良研究历来倍受重视。通过长期的遗传改良，玉米穗粒数不断增加，籽粒产量不断提高。

育种实践证明，提高玉米籽粒产量的途径有二：其一，在特定的种植密度下，通过增加小花数以提高单穗籽粒数；其二，通过增加种植密度以提高单位面积上的籽粒数。前者需要提高花序和小花发育的活性，增加可育小花数；后者则需克服密植条件对小花发育和小花育性的不利影响。可见，提高小花育性是提高籽粒产量的生物学基础。然而，我们至今对玉米产量改良过程中所选择的结实率和穗粒数基因以及其作用机理知之甚少。

▲ZmACO2基因敲除家系衍生杂交种的产量相关性状评价

张祖新教授课题组前期已鉴定到一个参与花序分化的基因KNR6，揭示了其通过增加小花数、穗粒数而提高籽粒产量的分子机制(Nature Communications, 2020, 11:988)。

课题组克隆了一个控制玉米穗粒数的重要基因ZmACO2，其编码1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶2(ACO2)，参与花序发育进程中内源乙烯的生物合成。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除ZmACO2基因，雌花序中内源乙烯的生物合成显著减少，雌性小花的败育率下降，结实率增加，最终导致玉米自交系单穗籽粒数增加。

重要地，敲除ZmACO2基因也可使杂交种增产约13.4%（上图）。这一研究成果不仅首次揭示了内源乙烯生物合成与玉米花序发育和小花育性的关系，阐明了组织特异性表达的ZmACO2基因控制花序中内源乙烯水平、通过调控小花败育率进而调节穗粒数和籽粒产量的新机制，也为利用基因编辑技术优化内源乙烯水平、提高小花育性和穗粒数提供了靶标基因。研究成果不仅有助于实现玉米密植高产的育种目标，也可为其它禾本科作物的相关研究提供借鉴。

华中农业大学植物科学技术学院博士研究生宁强、简逸楠为文章的并列第一作者，张祖新教授课题组其他6名研究生以及玉米团队的杨芳教授也参与了该工作。美国冷泉港实验室的David Jackson教授、华中农业大学博士后刘磊博士和张祖新教授为文章共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：

https://www.网址未加载/articles/s41467-021-26123-z

建立一种高通量基因编辑技术

近日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室谢卡斌课题组研究成果以“A FLASH pipeline for arrayed CRISPR library construction and the gene function discovery of rice receptor-like kinases”为题在Molecular Plant发表。

研究建立了一种阵列式CRISPR文库用于大规模植物基因编辑的方法，利用此方法，该课题组创建了靶向敲除1072个水稻类受体激酶的基因编辑材料，为快速鉴定抗病、抗逆相关的基因提供了新资源。

随着CRISPR/Cas9基因编辑技术在植物中的日益成熟，利用CRISPR文库进行高通量的遗传筛选成为可能。目前有两种 CRISPR 文库构建策略：混合型文库（pooled library）和阵列式文库（arrayed library）。其中，混合型的CRISPR/Cas9文库已被多个实验室用于水稻、玉米、番茄等作物的突变体库的构建，但目前尚未有阵列式CRISPR文库在植物中应用的报道。

该研究建立了一种阵列式CRISPR库的快速构建技术，可同时用于小规模和大规模植物基因编辑材料的创制。作者设计了一种PCR片段长度作为Cas9/gRNA载体标签的策略（PCR fragment-length markers for gRNAs distinguishing，简称FLASH标签），可以通过常规PCR和凝胶电泳读取每个载体和转化植株的gRNA信息（即靶基因信息）。

研究中，课题组设计了12个含不同FLASH标签的CRISPR/Cas载体，并与96孔板高通量克隆技术结合，建立了快速构建Cas9/gRNA质粒文库的方法。本研究还设计了将含不同FLASH标签的12个质粒载体混合后转化水稻的策略，通过PCR检测转化植株所含FLASH标签的片段大小即可读取gRNA信息，极大地简化了基因编辑材料的创制过程。

▲利用FLASH 标签的载体系统构建植物突变体库的流程

利用FLASH策略，研究在一年左右的时间内完成了靶向编辑1072个水稻类受体激酶的构建工作。课题组以12个载体混合转化水稻的方式，通过89个水稻转化事件获得了5039棵T0代水稻植株；通过PCR检测FLASH标签的方式读取了每株植物的gRNA信息，成功获得了955个RLK基因的编辑水稻。对部分材料的基因型鉴定结果表明，目标基因的编辑效率在90%以上。

▲靶向编辑水稻RLK基因家族

研究对脱靶编辑、无T-DNA整合的基因编辑事件也进行了详细分析，并对15个基因的材料进行了稻瘟病接种试验，鉴定到了9个抗稻瘟病相关的基因。最后，课题组讨论了该方法的优缺点，并提出了构建全基因组规模的阵列式CRISPR文库的协作方案。

▲利用 FLASH 基因编辑流水线扩大阵列式 CRISPR 文库的协作方案

华中农业大学2021届博士毕业生陈凯园为论文第一作者，谢卡斌教授为通讯作者。武汉大学侯昕教授、宾夕法尼亚州立大学Yang Yinong教授和华中农业大学熊立仲教授也参与了研究。该研究得到了国家自然科学基金、科技部转基因重大专项、华中农业大学自主创新基金等项目的资助。

论文链接：

https://网址未加载/10.1016/j.molp.2021.09.015

揭示植物衰老过程中营养物质再循环的遗传调控机制

近日，华中农业大学园艺植物生物学教育部重点实验室、园艺林学学院程运江教授课题组与德国马克思普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授课题组合作研究成果以“Genome-wide association of the metabolic shifts underpinning dark-induced senescence in Arabidopsis”为题在The Plant Cell发表。研究揭示了植物衰老过程中营养物质再循环的分子机制。

柑橘果实采收后，因与树体切断了营养物质和信号的交流，成为一个独立的生命个体逐步进入衰老进程，并主要通过自身营养物质的再循环来维持基础代谢使得果实品质得以保持。由于柑橘具有多年生、童期长、遗传高度杂合等特点，极大地制约了对柑橘果实采后衰老过程中营养物质再循环的内在调控机制开展深入解析。

为深入解析这一过程的内在调控机制，程运江教授课题组联合德国马克思普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授课题组深入解析了黑暗诱导的衰老进程中拟南芥碳源和氮源再循环以维持自身基础代谢的遗传调控机制。

▲不同时间点代谢物关联分析汇总图

研究检测了252份拟南芥自然群体材料经黑暗处理（模拟柑橘等园艺产品采后贮运条件）后初生代谢物及脂质含量，发现以糖及有机酸酸为代表的可以直接参与TCA循环供能的代谢物在黑暗处理后迅速下降，其可能作为黑暗诱导衰老早期响应物行使功能。支链氨基酸、色氨酸、酪氨酸等在黑暗处理前期因蛋白质的降解而逐步积累，而在黑暗处理后期通过降解途径为TCA 循环提供底物，并直接为线粒体电子传递链提供电子等含量逐步下降。这些代谢物则作为黑暗诱导衰老的后期响应代谢物。

▲不同条件下TAT1影响酪氨酸代谢遗传调控机制

此外，研究基于3个时间点及各时间点的代谢物差异所开展的动态mGWAS鉴定到了参与营养物质再循环途径中代谢物降解、代谢物转运及行使转录调控效应等关联基因。深入的遗传调控机制解析发现TAT1对酪氨酸含量在正常和黑暗处理后存在不同遗传调控机制：在正常情况下，TAT1编码区能改变其蛋白序列的5个SNP差异导致了TAT1蛋白酶活的差异，从而影响不同材料酪氨酸的含量差异；在黑暗情况下，启动子区域5个SNP的差异影响了TAT1的表达量而进一步影响酪氨酸在群体中的含量差异。参与苏氨酸代谢的THA1及甘氨酸转运的AVT1B也因启动子区域的SNP差异引起的表达差异而影响了相关代谢物在群体内的差异分布。本研究运用多时间点的动态mGWAS方法全面解析了拟南芥黑暗所诱导的衰老下初生代谢物及脂质再循环的遗传调控机制，鉴定的营养再循环相关基因为改良果实的物质循环及特定代谢物含量，维持果实采后品质提供了重要的理论参考。

华中农业大学园艺林学学院程运江教授课题组与德国马克思普朗克分子植物生理研究所Alisdair R. Fernie教授课题组联合培养博士后朱峰博士为该论文第一作者，程运江教授与Alisdair R. Fernie教授为文章共同通讯作者，华中农业大学闻玮玮教授、严建兵教授及刘海军博士也参与了本研究。本研究得到国家重点研发项目的支持, 我校园艺林学学院园艺植物生物学教育部重点实验室为论文第一完成单位。

论文链接：

https://academic.网址未加载/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab251/6384588#

由于篇幅所限，此次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 | 宁强 简逸楠李淑敏 朱峰

编辑 | 徐行

校对 | 匡敏 吴晗

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