Plant Biotechnol. J | 农学院林中伟教授课题组解析爆裂玉米关键的进化遗传机制
近日，我校农学院玉米生物育种全国重点实验室林中伟教授课题组在《Plant Biotechnology Journal》上在线发表题为“Genome assembly and population genomic analysis reveal the genetic basis of popcorn evolution”（https://doi.org/10.1111/pbi.70125）的研究，组装了爆裂玉米地方种高质量基因组，解析爆裂玉米关键的驯化遗传机制，揭示了玉米地方种重要的育种应用价值。
爆裂玉米又叫爆米花玉米，其籽粒坚如燧石，遇高温则发生膨爆成爆米花。爆米花喷香美味且价格低廉，因而成为全球范围内非常流行的一种零食。爆裂玉米是玉米驯化过程中出现最早的玉米类型，很多早期的考古遗址出土的驯化玉米都属于爆裂玉米类型。爆裂玉米株型披散，多长有分蘖，并且穗行数多，籽粒较小，还有一种神奇的单向杂交不亲和特性（图1）。然而爆裂玉米这些特性的进化遗传机制却知之甚少。
图1 爆裂玉米地方种SP及其基因组测序
对来自于美洲的一个草莓爆裂玉米（Strawberry Popcorn，SP）地方种进行高通量测序，共获得58 Gb HiFi长读长数据（约26.93×）（Wenger等，2019）和192 Gb Hi-C数据（约144.43×）。利用这些序列最终组装出的SP基因组大小为2.3 Gb，共注释42,572个编码蛋白基因（图1）。基因组比较分析发现，SP与玉米祖先种大刍草基因组之间普遍存在大片段倒位，但与常见栽培玉米基因组相比，这种倒位数量显著减少（图2）。并且发现SP在8号染色体上存在一个约30 Mb的倒位区段（图2）。在SP与MS71杂交构建的群体中，8号染色体上的这个大片段倒位导致该区域无法发生染色体重组与交换。
图2 比较基因组分析
SP单向杂交不亲和，无法接受其他玉米的花粉而产生后代。在SP与MS71配制的F2群体中，第四染色体前端存在一个染色体严重偏分离的区段（图3）。以往的研究发现这一区段存在三种控制单向杂交不亲和的串联重复基因Ga1、PME3以及PRP3。基因组比较分析发现大刍草中Ga1、PME和PRP基因分别位于第4号染色体8 Mb及31-33 Mb区域内，驯化的过程中这两区段发生染色体易位和融合，形成了3Mb左右的紧凑区段（图3）。串联重复基因的功能在进化的过程可能经历假基因化、功能保守、功能丧失、亚功能化或新功能化等现象。大刍草基因组包含29个Ga1拷贝、1个PME3拷贝及4个PRP3拷贝，其中18个Ga1拷贝具有正常功能的完整编码序列，11个拷贝存在功能缺陷，假基因化以及功能丧失；SP基因组则包含22个Ga1片段、1个PME3拷贝和4个PRP3拷贝，其中仅8个Ga1拷贝具有完整功能，14个拷贝基因功能丧失；而其他常见玉米栽培种基因组中Ga1拷贝几乎完全丢失，仅保留1个较长且功能丧失的Ga1拷贝，同时PME3截短片段显著扩张，PRP3则保持4个拷贝（图3）。进一步的进化分析表明Ga1和PME3均属于果胶甲酯酶基因家族，在玉米、稻、麦、谷子、高粱等作物中，仅玉米发生Ga1基因的大规模扩增（图3）。
图3 爆裂玉米单向杂交不亲和位点的进化
SP种皮呈棕红色，而其他栽陪玉米的种皮通常为无色，这一性状受到P1基因控制。基因组比较分析发现，野生种大刍草和SP的P1拷贝数仅为1-2拷贝，而常见的栽培种玉米则为5个拷贝以上。表达分析表明常见栽培种多拷贝P1基因均维持低表达量。这些结果说明在玉米的驯化和改良的过程中，P1位点发生复制的同时发生了调控重塑，总表达量下调，进而变成了无色种皮。
进行大规模的群体基因组学分析发现爆裂玉米与甜玉米属于较为原始的玉米栽培种，在进化上相较于常见栽培玉米与大刍草的亲缘关系更近一些。在爆裂玉米的驯化过程中大约有2500个基因受到了选择，其中包含12个与爆裂玉米籽粒膨爆相关的标志基因（图4）。这些标志基因包括调控果皮与糊粉层厚度的Pl1和Dek1；参与蛋白质与淀粉生物合成的THP9、Sh2、SUS1、Smk10、KW1、O7及NKD1；以及调控胡萝卜素合成的VP5、CCD7和Crti3（图4）。进一步利用突变体及转基因发现KW1及O7两个基因控制玉米籽粒硬质胚乳的比例和硬度，从而控制爆裂玉米籽粒的膨爆特性（图4）。
图4 爆裂玉米群体基因组学分析及籽粒爆裂基因的功能验证
爆裂玉米籽粒膨爆这一独特表型源于水分含量与籽粒特殊结构的协同作用。其籽粒通常由外层玻璃质胚乳（硬质胚乳）包裹内层粉质胚乳，并被坚硬果皮所包被（图5）。该结构在加热过程中形成密闭压力容器，玻璃质胚乳因淀粉粒致密可产生更高蒸汽压。本研究获得了12个与爆裂玉米籽粒膨爆相关的标志基因，这些基因在重塑籽粒硬度起了关键作用（图5）： Pl1通过调控花青素合成，促使色素在果皮与糊粉层累积以增强表层厚度，Dek1则通过调控糊粉层细胞发育影响其厚度；胡萝卜素合成相关基因VP5、CCD7和Crti3通过提升胡萝卜素含量增强胚乳玻璃质程度；而THP9、Sh2、SUS1与Smk10等基因通过调控蛋白质与淀粉合成影响胚乳玻璃化；KW1、O7及NKD1则协同调控上述两类物质合成以进一步强化这一特性。籽粒的膨爆特性与籽粒硬度极为相关，这12个标志基因影响了籽粒的种皮厚度及胚乳硬度，进而提升了爆裂玉米的籽粒膨爆能力。这些基因将为爆裂玉米的分子育种提供重要靶标。以上这一籽粒膨爆复杂调控网络可能源于玉米驯化过程中人类对爆裂性状长达千年的持续选择。
图5 控制籽粒爆裂的基因调控网络模式图
这个研究将大大促进爆裂玉米的分子育种以及加速利用玉米地方种种质来改良玉米育种骨干优良自交系的遗传多样性。值得注意的是爆裂玉米籽粒往往蛋白含量较高，是提升玉米籽粒蛋白含量的一种很有应用潜力的种质资源。
农学院玉米生物育种全国重点实验室博士研究生方孝荐为第一作者，林中伟教授为通讯作者。玉米生物育种全国重点实验室刘行芹博士、博士生刘家成、宋洋、徐敏、简醒、董礼、张倩文、许乐、范国瑞、王朝颖、尤仪雯、冯天宇参与部分工作。本研究得到了河南农业大学李玉玲教授和李文钰老师以及中国农业大学宋任涛教授的大力支持。这个研究得到十四五国家重点研发计划（2022YFF1003400）、国家自然科学基金（32272069）的资助。