北京时间2022年10月13日晚23时，华中农业大学代明球课题组联合李峰、李林课题组在Nature Biotechnology杂志发表了题为“The role of transposon inverted repeats in balancing drought tolerance and yield-related traits in maize”的研究长文。
该研究利用多组学和基因编辑策略，详细阐述了玉米产量和抗性平衡的遗传与分子机制，为玉米高抗高产精准分子设计育种奠定了理论基础，提供了优异基因资源。
近百年来，育种家将玉米产量大幅提高，但伴随而来的是玉米抗旱性的显著下降，表明产量性状和抗逆性状往往相互拮抗，且控制二者的遗传位点在基因组上紧密连锁。如何打破这种连锁，使产量和抗性达到最佳平衡是作物育种有重要应用价值的研究课题，而找到控制产量性状的干旱胁迫应答负调控位点并揭示其遗传与分子作用机制，是高抗高产作物育种面临的重大瓶颈科学问题。
小RNA（sRNA）是一类短片段的非编码RNA，在真核生物中广泛存在。sRNA，尤其是miRNA，被报道对植物的生长发育和逆境胁迫应答起到重要的调控作用。植物基因组上普遍存在一类反向重复结构（Inverted repeat, IR），能够产生大量的sRNA。尽管知道这些IR产生的sRNA能够在转录和转录后水平调控基因的表达，但IR对作物发育的具体调控功能直到近年才在大豆上被报道。作物产量和环境胁迫抗性都是由微效多基因控制的复杂农艺性状，涉及到全基因组范围内众多基因的表达及其调控。IR是否及如何通过产生sRNA调控基因的表达进而控制玉米产量和环境胁迫耐受性迄今未知。
大规模鉴定响应干旱胁迫的sRNA并解析其遗传调控机制
通过高通量测序，作者获得了338份玉米关联群体在正常浇水（WW）和干旱胁迫（DS）生长条件下的sRNA表达组和其中197份群体的转录组。从中检测到三万多个响应干旱胁迫的sRNA并获得其群体水平的表达性状。sRNA对基因表达有调控作用。在群体范围内通过回归分析共发现6158对sRNA-基因调控关系，其中有许多已知的miRNA-基因调控关系（如miR168对AGO1c的调控、miR169 对NF-YA8的调控、miR167对ARF6的调控等），同时也发现许多新的sRNA对基因的调控关系。对上述sRNA表达性状进行全基因组关联分析（eGWAS），共获得6000来个调控sRNA表达的eQTL，其中有29个是eQTL热点，能同时调控20个以上sRNA的表达。比较分析调控sRNA表达的eQTL和调控基因表达的eQTL发现，有4722个eQTL能同时控制sRNA和基因的表达，表明sRNA和基因之间存在大量的全基因组协同调控关系。
图1. 群体范围内鉴定sRNA和基因表达并解析其遗传调控机制
DRESH8调控玉米抗旱的功能与机制解析
通过预测分析，发现29个eQTL热点所产生的sRNA调控2764个潜在的靶基因。其中，530个基因（19.2%）与植物繁殖相关，891个基因（32.2%）与胁迫应答相关，表明这些seQTL热点在调控玉米产量和环境适应性方面发挥重要功能。为了进一步解析作物产量和环境适应性分子调控机制，作者克隆了8号染色体上一个干旱特异性超级热点eQTL DRESH8，该热点eQTL与上千个sRNA表达相关，且仅在DS条件下被检测到。实验数据表明，DRESH8产生的siRNA通过介导下游靶标mRNA的切割来调控植物的耐旱性。
图2. DRESH8通过其产生的sRNA来调控靶标基因的表达进而抑制玉米抗旱
DRESH8介导玉米抗旱性与产量的平衡
接下来作者详细研究了DRESH8的进化与选择。结果表明，DRESH8转座子的大致起源时间是51800年前，DRESH8的缺失可能是在较近的大刍草适应环境胁迫变化过程中被自然选择的，而DRESH8等位基因的存在则可能是在玉米的驯化和传播过程中被人为选择保留下来。考虑到DRESH8的存在不利玉米抗旱，是什么驱动了DRESH8被选择保留？作者提出了一个模型来解释DRESH8位点是如何被选择的：在降雨充沛的环境中，农民可能选择种植有DRESH8的玉米以提高产量；而在干旱环境下，农民选择种植缺失DRESH8的玉米，这样可以去除DRESH8产生的sRNA对抗旱基因的抑制作用，从而提高玉米的抗旱性。以上这些数据表明，DRESH8能够介导耐旱性和产量性状之间的选择平衡，进而影响玉米在世界范围内的传播。
图3. DRESH8的进化与选择
全基因组范围内的IR及其平衡产量和抗性的潜在功能
为了更全面地描述IR在玉米响应干旱中的普遍作用，作者研究了全基因组范围内的IR结构。基于B73基因组，一共鉴定到8261个IR；尽管这些IR仅占玉米基因组的1.2%，却控制了42%左右的干旱应答sRNA的表达，表明IR在玉米干旱响应中发挥着广泛的作用。 玉米基因组85%都是TE，在8261个IR中，TE-IR占比高达90.7%，产生86.9%的IR sRNA。TE在形成IR结构后以产生22-nt sRNA为主，而不形成IR结构的TE则以产生24-nt sRNA为主。另外，由IR产生的22-nt sRNA占全基因组范围内22-nt sRNA的70%左右。在TE-IR中，大多数DNA转座子(除DHH和DTA外)形成较短的IR (<5 kb)，而逆转录转座子倾向于形成较大的IR (>10 kb)。IR产生的大多数21-和22-nt sRNA在干旱后上调表达，而且，这些IR sRNA还介导了包括低温和盐胁迫的应答反应，表明IR sRNA在调节植物响应不同环境胁迫方面具有普遍性作用。
进一步发现，在驯化和改良的过程中，无论是IR长度还是数目都出现扩张，对粒长的选择可能是IR扩张的重要驱动因素之一。此外，有23个eQTL热点为TE-IR结构变异，其中有21个TE-IR产生的sRNA所调控的潜在靶基因富集到与产量和抗逆性相关的基因集中。综上所述，这些数据表明IR，特别是TE-IR，可能在调节玉米环境适应性与产量性状平衡上具有普遍作用。
图4. 全基因组范围内的IR及其在调控玉米产量和抗性方面的潜在功能
总之，作者发现了大量与干旱适应性和产量性状相关的环境特异性遗传调控因子。研究结果突出了TE在形成IR结构中发挥的关键作用。这些IR结构主要通过DCL2控制sRNA的表达，并参与转录后调控，IR的这种作用方式是玉米环境适应性和产量性状之间平衡的关键遗传与分子调控机制。这种由TE-IR结构驱动的平衡机制，为通过基因组精准设计来培育高抗高产作物铺平了道路。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室博士后孙霄鹏、向艳丽博士（现根特大学博士后）、博士生豆楠楠、华中农业大学博士后张慧为论文的第一作者。作物遗传改良全国重点实验室和洪山实验室的代明球教授、李林教授以及园艺生物学教育部重点实验室的李峰教授为论文的通讯作者。作物遗传改良全国重点实验室和洪山实验室的严建兵教授也参与了该项工作。
本研究得到了基金委国际合作和面上项目、十三五重点研发计划、中央高校基金项目、湖北洪山实验室重点研发项目的主要资助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41587-022-01470-4
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