Nature∣中国农业大学田丰/李继刚合作发现玉米“智慧株型”基因
玉米是全球和我国的第一大粮食作物，种植密度的不断增加是玉米单产水平持续提升的关键因素之一。美国玉米种植密度普遍超过6000株/亩，而我国玉米种植密度平均为4000株/亩，差距明显。因此，发掘和利用耐密高产基因、培育耐密高产品种是提高我国玉米单产水平的重要途径。2024年6月12日，Nature杂志在线发表了中国农业大学田丰课题组和李继刚课题组的合作研究论文“Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities”。该研究首次在玉米中鉴定到“智慧株型”基因lac1，揭示了光信号动态调控lac1促使玉米适应密植的分子机制，建立了“一步成系”的单倍体诱导编辑技术体系。鉴于该研究的重要性，Nature杂志选择以“文章加速预览”（Accelerated Article Preview）模式在线发表上述研究成果。
密植会引起植株间叶片相互遮挡，诱发产生避荫反应，导致作物群体产量下降。合理的株型结构是作物适应密植的前提，株型紧凑的玉米植株能够减弱密植群体的避荫反应，提高群体产量。田丰课题组前期克隆了2个控制玉米紧凑株型的QTL—UPA1/brd1和UPA2/RAVL1，并构建了玉米紧凑株型的基因调控网络（Tian et al., 2019; https://mp.weixin.qq.com/s/EcHzE7Lr5RwItTJqqbDCRw）。在密植群体内，不同冠层的叶片接收到的光强和光质各不相同，导致上部冠层叶片“光饱和”，中下部冠层叶片“光饥饿”，因此不同冠层的叶片需要不同的空间伸展姿态，以最大限度的捕获光能，提高群体的光合作用效率。所以，理想耐密株型并不是要求植株所有叶片紧凑，而是需要上部叶片紧凑、中下部叶片相对舒展的“智慧冠层（smart canopy）”结构（Ort et al., 2015）。然而，目前尚未鉴定到控制玉米智慧冠层的基因。
田丰课题组前期在田间鉴定到一个上部叶夹角紧凑、中下部叶夹角相对舒展的自然突变体材料，具有“上紧下松”的智慧株型特征，命名为lac1（leaf angle architecture of smart canopy 1）（图1a）。图位克隆发现，lac1编码类固醇C-22 羟化酶（DWF4）（Zhao et al, 2012; Sakamoto et al, 2006），其外显子上一个273bp的转座子插入导致编码蛋白提前终止。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对lac1进行了编辑，纯合敲除系均展现出“上紧下松”智慧株型表型。连续4年在4个地点对lac1突变体、敲除系和F1杂交种进行了不同种植密度的田间产量试验，结果显示在高密度种植条件下，携带lac1突变等位基因的“上紧下松”株型可以显著增加群体中下部冠层透光率、增强穗位叶净光合速率、削弱密植群体的避荫反应，最终促进玉米群体产量显著增加（图1b）。研究进一步证实，lac1控制的“上紧下松”株型比RAVL1控制的“上下紧凑”株型具有更高的密植增产潜力，聚合这两个等位基因能进一步提升密植群体产量。
图1 lac1赋予玉米“智慧株型”并促进密植增产
叶夹角随着种植密度增加而逐渐减小是玉米适应密植的典型避荫反应，然而玉米叶夹角动态响应密植的分子机制目前知之甚少。遮荫信号主要由植物的红光/远红光受体—光敏色素（phyA和phyB）感知。研究发现，田丰课题组前期鉴定到的调控玉米叶夹角的关键转录因子RAVL1直接激活lac1的表达，从而控制玉米叶环区油菜素内酯的积累，最终影响玉米叶夹角的大小。有趣的是，lac1在遮荫条件下表达显著下调，那么RAVL1能否与phyA或phyB直接互作从而介导遮荫信号对lac1的动态调控？研究结果表明，RAVL1仅能与phyA互作，而不能与phyB互作。随着种植密度增加，红光:远红光的比例（R/FR）降低，促进phyA蛋白积累，phyA与RAVL1互作并促进RAVL1蛋白的降解，从而削弱RAVL1对lac1的激活作用，最终减小高密度条件下的玉米叶夹角（图2）。在lac1突变体中，phyA-RAVL1介导的光信号通路被阻断，从而削弱lac1突变体对遮荫的响应。综上，一方面lac1“上紧下松”的株型特征优化了冠层内的光分布、增强了密植群体的光合效率，另一方面lac1对遮荫响应的削弱增强了耐荫性，lac1形态的改良和生理的适应协同促进了密植增产。
图2 phyA-RAVL1-lac1分子通路动态调控玉米叶夹角以适应密植
如何将基础研究鉴定到的优良基因快速导入现代商业品种一直是作物遗传育种领域面临的巨大挑战。传统的分子标记辅助选择技术需要多代的回交和自交，费时费力，并且改良效率易受不利连锁的影响。2019年，美国和中国的科学家同时报道了将基因编辑与单倍体诱导耦联的单倍体诱导编辑技术（HI-Edit和IMGE），理论上实现了商业品种的直接定向修饰（Kelliher et al., 2019; Wang et al., 2019）。然而，由于玉米遗传转化的基因型限制，目前单倍体诱导编辑技术的应用仍需借助中间转化受体材料，将基因编辑载体回交导入至单倍体诱导系中再进行诱导编辑，这一过程费时费力。该研究建立了以HI3为代表的单倍体诱导系遗传转化体系，实现了基因编辑载体直接转化单倍体诱导系、当代诱导编辑的“一步成系”目标（图3）。利用携带lac1编辑载体的单倍体诱导系成功实现了对20个自交系lac1基因的定向修饰，单倍体纯合编辑效率达到6.8%，获得的双单倍体（DH）编辑系表现出类似lac1的智慧株型特征，改良后的商业杂交种亲本OSL476具有显著的密植增产效应。“一步成系”单倍体诱导编辑技术体系的建立为商业品种快速定向修饰、多性状协同改良、野生种从头驯化等提供了强大工具。
图3 “一步成系”单倍体诱导编辑技术
中国农业大学博士毕业生田金歌（现为北京市农林科学院研究员）、农学院王成龙副教授和硕士毕业生陈丰懿为论文的共同第一作者。田丰教授和李继刚教授为共同通讯作者。邓兴旺院士、张明才教授、陈绍江教授对该研究工作提供了宝贵意见和材料支持。海南奥玉生物技术有限公司提供了“一步成系”单倍体诱导编辑的技术支撑，中国农业大学玉米功能基因组平台提供了部分常规玉米的遗传转化服务。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、崖州湾种子实验室项目、中国农业大学-拼多多研究基金、三亚市亚洲湾科技城管理局项目、中国高校科学基金以及博士后创新人才支持计划等项目的经费支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07669-6
参考文献
1. Tian, J. G. et al. Teosinte ligule allele narrows plant architecture and enhances high-density maize yields. Science 365, 658-664 (2019).
2. Ort, D. R. et al. Redesigning photosynthesis to sustainably meet global food and bioenergy demand. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 112, 8529-8536 (2015).
3. Zhao, B. & Li, J. Regulation of brassinosteroid biosynthesis and inactivation. J Integr Plant Biol. 54, 746-759 (2012).
4. Sakamoto, T. et al. Erect leaves caused by brassinosteroid deficiency increase biomass production and grain yield in rice. Nat. Biotechnol. 24, 105-109 (2006).
5. Kelliher, T. et al. One-step genome editing of elite crop germplasm during haploid induction. Nat. Biotechnol. 37, 287-292 (2019).
6. Wang, B. B. et al. Development of a haploid-inducer mediated genome editing system for accelerating maize breeding. Mol. Plant. 12, 597-602 (2019).