Nature Genetics | 农学院玉米研究中心董朝斌团队合作解析玉米驯化新基因tsh4调控株型穗型发育机制
现代玉米大约于8000-10000年前由大刍草驯化而来，驯化过程中经历了株型和穗型的巨大演变。株型和穗型虽主要对应营养器官和生殖器官，然而从分生组织发生和组织形态建成的角度看，两者必然存在紧密的相关性和共有的遗传基础。tb1、tga1、tru1、gt1等是玉米已知的驯化关键基因，但目前仅对其介导玉米驯化过程中具体单一性状进行了部分解答，而关于玉米株型和穗型在驯化中如何协同调控的遗传机制仍不清楚。
近日，Nature Genetics杂志在线发表了中国农业大学董朝斌课题组与合作者的研究论文“A regulatory network controlling developmental boundaries and meristem fates contributed to maize domestication”。该研究鉴定了玉米新的驯化关键基因tsh4，并揭示了tsh4位于目前已知玉米株型穗型驯化调控网络最上游，阐明了驯化过程兼顾不同发育时期、不同性状的分子调控机理。该研究为进一步开展玉米株型和穗型的遗传改良提供重要理论指导。
研究内容
该研究首先利用大刍草和玉米组配的RILs 和TeoNAM群体 (Chen et al., 2019)进行QTL-mapping，发现一个控制分蘖数、雌穗穗型、雄穗分枝数、粒重等一系列驯化表型的QTL都共定位于tsh4位点（图1），表明tsh4在营养生长和花序发育两阶段性状的驯化过程中均发挥关键作用而受到了选择。
图1多驯化性状遗传定位共同鉴定到tsh4位点
进一步研究发现， TSH4与同样作为SBP家族转录因子的同源蛋白UB2/UB3存在部分功能冗余。在tsh4/ub2/ub3三突变体中发现分蘖增多，性别决定存在缺陷，雌穗上雄花占比变大，特别是成对小穗变成了叶片和单个小穗(图2)等一系列与野生祖先大刍草相似的表型。在野生型中，边界建成marker蛋白RA2在分生组织中特异表达，从而标记分生组织与侧生叶原基的边界；但在tsh4相关突变体中，RA2表现为侧生叶原基异位表达。上述结果表明TSH4的基础功能是维持分生组织与侧生叶原基的边界建成，继而调控玉米株型穗型发育。
图2 tsh4与同源基因ub2/ub3部分功能冗余调控驯化表型
为了进一步解析TSH4调控系列驯化过程的分子机制，团队进行了高质量的ChIP-seq、普通转录组测序与显微切割转录组测序，绘制了TSH4转录因子的全基因组调控网络。分析发现，生长素信号转导途径在该调控网络中显著富集， TSH4能够结合在多个生长素信号抑制因子AUX/IAA基因调控区，激活其表达从而抑制生长素信号通路（图3）。对野生型和tsh4/ub2/ub3突变体的体内生长素信号及分布的可视化观察也表明tsh4/ub2/ub3功能丧失导致原本在苞叶中受到抑制的生长素信号被解除，从而触发了生殖生长阶段叶片的非正常发育（图3）。
图3 TSH4负调控生长素信号通路调控边界建成和发育
microRNA（miRNA）是广泛存在于真核生物中的一类内源非编码小RNA，通过对靶基因mRNA的切割或翻译抑制实现对靶基因的调控，广泛参与生物体生长发育和胁迫抗性等几乎所有生命过程。鉴于其关键作用，miRNA的发现及其在转录后基因调控中的作用获得了本年度诺贝尔生理学或医学奖。miRNA与转录因子关系密切，转录因子较一般基因更有可能成为miRNA调控的靶标，本研究中涉及的SBP转录因子家族多个成员的mRNA便可被miRNA156/miRNA529直接结合和切割(Chuck et al.,2007)。目前在广泛物种中已有大量工作探究了miRNA调控下游靶转录因子的调控机制，然而转录因子对miRNA的反馈调控途径却鲜有报道。本研究发现，TSH4能够直接结合全基因组约1/4的miRNA位点，其中包括TSH4自身负调控因子miRNA156和miRNA529的转录调控区，抑制两miRNA的表达（图4）。基于以上数据，tsh4和miRNA156/miRNA529彼此之间的负反馈调控关系，以及生长素信号调控机制，初步回答了玉米花序发育过程中分生组织和侧生叶片之间的边界是如何建立的科学问题。
图4 TSH4与miRNA156、miRNA529负反馈调节机制建立发育边界
先前的研究表明，玉米驯化过程主要是以分蘖抑制基因tb1以及tga1、tru1、gt1等一系列下游靶基因为主的驯化调控网络（Dong et al., 2019）。而作物驯化是一个十分漫长且复杂的过程，其中tb1作为玉米驯化调控网络的关键枢纽基因，其上游是否存在更高级别的驯化基因，目前还未有报道。本研究发现，与上述驯化性状相吻合，tsh4位点在驯化过程中受到强烈选择，玉米中序列多态性相较其祖先种显著降低，驯化的结果表现为栽培种中TSH4表达丰度更高。尤其值得关注的是，TSH4蛋白能够直接调控tb1、tru1、tga1等一系列经典的驯化基因（图5），共同驱动这些驯化基因的上调表达。上述研究结果确定了tsh4在驯化调控网络中的核心作用，深化了玉米驯化过程的分子调控机制。
图5驯化核心因子TSH4的下游调控网络以及株型穗型发育边界建成的分子基础
参考文献
Chen, Q., Yang, C. J., York, A. M., Xue, W., Daskalska, L. L., DeValk, C. A., ... & Doebley, J. F. (2019). TeoNAM: a nested association mapping population for domestication and agronomic trait analysis in maize. Genetics, 213(3), 1065-1078.
Chuck, G., Cigan, A. M., Saeteurn, K., & Hake, S. (2007). The heterochronic maize mutant Corngrass1 results from overexpression of a tandem microRNA. Nature Genetics, 39(4), 544-549.
Dong, Z., Xiao, Y., Govindarajulu, R., Feil, R., Siddoway, M. L., Nielsen, T., ... & Chuck, G. (2019). The regulatory landscape of a core maize domestication module controlling bud dormancy and growth repression. Nature Communications, 10(1), 3810.
中国农业大学玉米生物育种全国重点实验室、国家玉米改良中心、农学院董朝斌教授为该论文第一及共同通讯作者。美国加州大学伯克利分校George Chuck研究员为共同通讯作者。中国农业大学博士生胡高远、美国北卡州立大学陈秋月博士、美国加州大学伯克利分校Elena Shemyakina博士参与了本研究。美国加州大学伯克利分校Jennifer Fletcher教授和杨百翰大学Clinton Whipple教授提供了重要帮助和指导。该研究得到了国家重点研发计划 (2023YFF1000400)、国家自然科学基金委 (32372144)、拼多多中国农业大学研究基金（PC2023B02017）、中央高校基本科研业务费专项资金 (2023RC057) 等项目的资助。
团队介绍
董朝斌教授长期从事玉米株型穗型发育生物学和功能基因组学研究，团队围绕玉米发育生物学系列基础科学问题，探索营养组织和花序组织中侧枝发育的协调机制，研究组织发育的环境适应性，揭示发育可塑性响应环境的调控机理，为高产稳产玉米性状改良提供理论基础，综合利用野生种质资源、基因编辑及合成生物学等策略，探索玉米精准分子设计育种的技术应用。近年来以通讯作者或第一作者（含共同）在Nature Genetics、Molecular Plant、PNAS、Nature Communications、Genome Biology等国际主流学术期刊发表论文十余篇，入选国家级青年人才计划。