眾所周知，今天所種植的作物都經(jīng)歷了從野生祖先種馴化,，繼而由近代育種家不斷改良的過程,。時(shí)至今日，早期馴化過程大多已被科學(xué)界破解,，但作物如何改良為優(yōu)良商業(yè)化品種的過程卻鮮為人知,。

4月27日，《自然-遺傳學(xué)》在線發(fā)表中國農(nóng)科院生物技術(shù)研究所玉米功能基因組創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位合作的最新研究成果,。該研究闡析了現(xiàn)代育種過程玉米基因組選擇與遺傳改良規(guī)律,，系統(tǒng)解析了國內(nèi)外現(xiàn)代玉米選育過程中的“育種選擇指紋”，描繪出近幾十年來現(xiàn)代玉米改良的足跡,，此將有助于有效打破當(dāng)下傳統(tǒng)育種手段的瓶頸效應(yīng)。

2個(gè)基因或控制玉米性狀改良

玉米是目前世界第一大農(nóng)作物,，廣泛作為糧食,、飼料和工業(yè)原材料。在過去幾十年間,，經(jīng)過不斷耐密性品種改良與種植密度提升，世界多個(gè)玉米主產(chǎn)國的玉米單產(chǎn)成倍增長,，但玉米現(xiàn)代育種過程中品種耐密性改良的遺傳基礎(chǔ)和選擇規(guī)律還沒有得到系統(tǒng)解析,。

據(jù)報(bào)道，科研人員收集了近幾十年來國內(nèi)外不同育種時(shí)期廣泛使用的350份玉米育種材料,。這些親本育種材料曾培育出代表性的大面積推廣的品種,，在現(xiàn)代育種歷程中真正發(fā)揮過作用,。其中，中國材料分為1960s~1970s,、1980s~1990s,、2000s~2010s三個(gè)時(shí)期；美國材料為早期公共自交系和Ex-PVP自交系兩個(gè)時(shí)期,。

經(jīng)過多環(huán)境表型分析,，科研人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代玉米育種過程中,，玉米育種材料都經(jīng)歷了向著更低的穗位、更少的雄穗分枝數(shù),、更緊湊的葉夾角及更早的開花期方向發(fā)展的趨同選擇，表明這四個(gè)性狀的改良對玉米耐密性提高的重要性,。

那么這些性狀的改良又由哪些基因控制呢,？對此，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用全基因組重測序,，結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析,，挖掘出233個(gè)與15個(gè)農(nóng)藝性狀有顯著關(guān)聯(lián)的基因位點(diǎn),；鑒定到1888個(gè)受育種選擇的基因組區(qū)域，也就是育種指紋,，涉及近5000個(gè)功能基因,。

最后，研究者利用CRISPR/Cas9 技術(shù)創(chuàng)制功能缺失突變體,，證明兩個(gè)在現(xiàn)代玉米育種過程中受到選擇的基因ZmPIF3.3和TSH4,，分別在調(diào)控玉米株高（穗位高）和雄穗分枝數(shù)方面發(fā)揮重要作用,。

耐密性影響單產(chǎn)提高

資料顯示，目前全球玉米種植面積最大,、總產(chǎn)量最多的國家依次是美國,、中國、巴西,、阿根廷,、烏克蘭,。2019年美國玉米產(chǎn)量為3.47億噸，占全球玉米總產(chǎn)量的31.3%,；中國玉米產(chǎn)量占比23.5%,，位居世界第二。

得益于玉米種業(yè)和現(xiàn)代化種植技術(shù)的發(fā)展，我國玉米單位面積產(chǎn)量有了很大的提升,。就近10年而言，玉米單產(chǎn)已從2010年的363.6公斤/畝,，增長到2019年的421公斤/畝,。

但就產(chǎn)量而言，目前中國玉米單產(chǎn)水平仍與美國存在一定差距,。其中一個(gè)重要原因就是玉米的耐密性差異,。如美國的種植密度逾6000株/畝,，而我國玉米種植密度平均不到4000株/畝。

此項(xiàng)研究不僅明確了穗位,、雄穗分枝數(shù),、葉夾角和開花期對于提高玉米耐密性的關(guān)鍵作用，為耐密玉米品種遺傳改良提供了方向性指引,，還闡明了現(xiàn)代玉米育種過程全基因組選擇與遺傳改良規(guī)律，挖掘出一大批調(diào)控耐密株型和抗逆性關(guān)鍵候選基因,，為今后玉米育種改良和全基因組選擇育種技術(shù)的開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和重要的基因資源。

據(jù)悉,，目前,，主糧水稻、小麥還沒有開展類似的育種進(jìn)程大規(guī)模系統(tǒng)研究,。針對玉米這項(xiàng)研究，也將為其他作物遺傳育種規(guī)律的解析和優(yōu)良基因挖掘提供有益借鑒,。