中国农业大学在玉米“智慧株型”研究方面取得新进展

中国农业大学在玉米“智慧株型”研究方面取得新进展

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。近日，中国农业大学田丰课题组与李继刚课题组合作在玉米“智慧株型”研究方面取得新进展，相关成果在Nature杂志在线发表。

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。目前我国玉米单产只有美国玉米单产的60%，与此同时，平均种植密度仅达到美国的67%，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。

近日，中国农业大学田丰课题组与李继刚课题组合作在玉米“智慧株型”研究方面取得新进展，相关成果以 “Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities”为题在 Nature 杂志在线发表。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。

图1. lac1 赋予玉米“智慧株型”

密植会引起群体内郁闭，不同冠层的叶片接收到的光强和光质各不相同，导致群体上部冠层叶片“光饱和”，中下部冠层叶片“光饥饿”，进而作物群体产量下降，因此上部叶片紧凑、中下部叶片相对舒展的“智慧冠层”可以最大限度的捕获光能，提高群体的光合作用效率，减弱密植的群体的避荫反应，提高群体产量。然而，目前尚未鉴定到控制玉米智慧冠层的基因。该团队在田间发现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，将该智慧株型基因命名为lac1（leaf angle architecture of smart canopy 1）（图1)。

图位克隆发现该基因编码类固醇C-22 羟化酶（DWF4），影响油菜素内酯的生物合成（图2a)。序列比对显示 lac1 外显子上有273 bp的转座子插入（图2d)，导致编码蛋白的提前终止。利用CRISPR-Cas9敲除技术对该基因进行了编辑（图2b），纯合敲除系均展现出“上紧下松”智慧株型表型(图2c）。玉米 lac1 突变体植株高度正常，不同于拟南芥dwf4 突变体的矮化表型，表明存在其他功能冗余基因，氨基酸序列比对发现细胞色素P450基因 D11 。敲除 D11 基因（图2e），并创制了lac1和 D11 的双突变体。D11 敲除展现出矮化表型，lac1 与D11双突变体矮化表型更加明显（图2f）。经检测发现 D11 在 lac1 敲除突变体植株内表达量增加（图2g）。水稻 DWF4 突变后导致植株叶片直立，对其他重要农艺性状影响较小，并在密集种植下提高水稻产量。

图2.DWF4控制lac1

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、增强穗位叶净光合率、降低密植群体的避荫反应，最终促进玉米群体产量显著增加（图3）

图3.lac1 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。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 brd1 的表达，brd1 编码一种C-6氧化酶，催化油菜素内酯生物合成的最后步骤，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。RAVL1 基因敲除植物种中，lac1 和D11 下调，与 brd1 相似。实验证明 RAL1可以直接结合lac1和D11启动子，直接激活lac1和D11的表达。以上结果表明，RAVL1 直接调节这些油菜素内酯生物合成基因的表达，促进油菜素内酯的积累，最终影响叶夹角的变化。

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。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 phyA1 和 phA2 互作（图4a，b），而不能与 phyB 互作（图4c，d）。烟草叶片中瞬时表达及免疫共沉淀表明 RAVL1 可以与 phyA1 和 phyA2 的 Pfr 和 Pr 形式相互作用。

图4.phyA- ravl1介导的光信号调控lac1的表达

培育耐高密度玉米品种是当代玉米育种的主要目标，本文提出了一个自然突变体 lac1 并对其鉴定，它具有对密集种植的形态和机制。首先，lac1 表现出理想的智能株型结构，上部叶片直立，中部叶片较少直立，下部叶片相对平坦，这些性状与密植条件下捕光能力的提高和冠层光合作用的增强有关。其次,在从生理学角度看，lac1 具有减弱避荫反应的作用。叶角是一种避荫性状，随着种植密度的增加，上叶角减小。本文提出了一个模型来解释植物介导的避荫信号如何随着种植密度的增加而调节 lac1 的表达，从而动态调节上部叶角(扩展数据图12)。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。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5.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6）。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6.“一步成系”单倍体诱导编辑技术

原文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-07669-6

本文原文来自中国农业大学新闻网