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华中农业大学严建兵团队发现调控玉米穗长和产量的新基因YIGE1

花匠小妙招
2025-10-11 22:49

2021年11月27日，New Phytologist在线发表了华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和湖北洪山实验室严建兵教授团队题为：“Genetic variation in YIGE1 contributes to ear length and grain yield in maize”的研究论文，在玉米穗发育和产量领域取得新进展。该研究利用全基因组关联分析（GWAS）克隆一个编码未知蛋白的基因YIGE1，该基因可能参与糖和生长素信号途径进而调控玉米雌穗花序分生组织的发育，影响小花数量，最终增加玉米穗长和单穗产量。

玉米产量分子遗传改良的可用基因资源仍然匮乏

全球人口持续增加，耕地面积逐渐减少，自然灾害频发等原因，导致每年仍有7.95亿的人口处于饥饿之中，因此粮食安全问题是全人类面临的最大挑战之一。玉米作为第一大粮食作物，其产量的提高是解决粮食安全问题的有效手段之一，同时是育种家一直追求的重要育种目标之一，也是作物遗传改良研究领域的重点和难点之一。

玉米穗长作为重要的产量构成因子之一，增加穗长，可使每穗籽粒数增多，单穗产量增加。迄今为止已鉴定出数百个玉米穗长相关的QTL，但仅有少数基因被克隆。华中农业大学玉米团队张祖新教授组通过图位克隆的方法，分别克隆了参与生长素途径的KNR6（Jia et al., 2020）和参与乙烯途径的ZmACO2（Ning et al., 2021），利用其有利等位基因，均可提高玉米杂交种的产量。因此挖掘控制玉米穗长相关的新基因并解析其遗传基础，对玉米穗长及产量遗传改良十分重要。

目前首个通过GWAS策略克隆的玉米产量穗长基因YIGE1

该研究，作者通过GWAS在1号染色体鉴定到一个与玉米穗长显著相关的主效QTL（qEL1）（图1a）；进一步利用CRISPR/Cas9技术对qEL1区间内4个候选基因进行敲除验证，发现只有基因GRMZM2G008490被敲除后，相较与非转基因材料（NT），其突变体（KO）穗长显著变短（图1b-c）；同时作者发现在该基因Mutator插入突变株系（mum1）中，其表达量降低，穗长明显变短；此外，作者发现该基因过表达株系（OE）相较于阴性对照（NT），穗长显著变长（图1h-i）。由此，作者认为GRMZM2G008490是qEL1的功能基因，正调控玉米穗长，并将其命名为YIGE1。经预测，YIGE1编码仅含一个外显子的未知蛋白，其功能罕有报道。

图1. YIGE1正调控玉米穗长

YIGE1可能通过参与糖和激素信号途径调控玉米花序发育

在玉米雌穗发育过程中，花序分生组织（Inflorescence meristem, IM）的大小和活性影响每行小花数。IM越大，能提供更多的空间容纳更多的成对分生组织（Spikelet pair meristem, SPM）和小花分生组织（Floret meristem, FM），最终形成更多的每行粒数和更长的穗长。在本研究中，与野生型（WT）相比，YIGE1突变株系雌穗IM更小，每行小花数和每行粒数更少，穗长更短（图2a）；相反，。与阴性对照（NT）相比，YIGE1过表达株系（OE）的雌穗IM更大，每行小花数和每行粒数更多，穗长更长（图2b）。进一步研究表明，相比于阴性对照，YIGE1过表达株系发育幼穗中糖含量显著降低，生长素含量显著升高（图2c）。因此，YIGE1可能参与糖和生长素信号通路调控玉米雌穗花序发育，进而影响穗长和产量（图2d）。

图2. YIGE1可能通过参与糖和激素信号途径调控玉米花序发育

该研究首次利用GWAS策略克隆玉米产量穗长新基因YIGE1，该基因编码未知蛋白，其启动子区SNP C/T 变异是启动子活性、基因表达量以及穗长表型变异的关键位点之一。YIGE1可能参与糖和生长素信号途径调控玉米雌穗花序分生组织的发育，影响小花数量和穗长。YIGE1在玉米长期驯化和改良中受到持续微弱的选择。虽然有利等位基因在玉米中富集，但并没有完全固定，仍有改良的空间。过表达YIGE1，穗长更长，每行粒数更多，单穗产量增加17.3% ~ 20.7%，而开花期及其它农艺性状没有显著变化，暗示其具有潜在的育种价值。目前，该研究团队正在利用YIGE1过表达材料，进行育种效应的深入评估。

科研背后的故事：

YIGE1这个课题始于2016年，从最初的QTL定位到基因功能验证，再到最终研究成果发表，历经6年时间。期间，伴随着田间艰辛的劳动和实验室夜以继日的忙碌，第一作者博士生罗芸也经历了她人生中一段最宝贵最美好的时光。罗芸与爱人冉启伟先生相恋7年，在2017年走进婚姻殿堂。2019年小宝宝冉一格的出生，给罗芸带来的是喜悦，也是为人父母的责任。在怀孕期间，丈夫冉先生躬身入局，主动协助完成玉米田间和实验室工作，以行动践行誓言，相扶相守。2020年全国疫情严重，人员限制出行。在验证YIGE1基因功能的关键时刻，在留守海南基地的李文强博士帮助，将实验材料寄回老家，克服重重困难，完成数据收集，为YIGE1基因验证和功能解析奠定了基础。

科研本是重复、繁琐的过程，但科研背后的幸福也让人留恋。该研究的基因名“YIGE1”就是来自于博士生罗芸小情人“一格”的名字，以此来纪念这段深刻、别具意义的基因探索之旅。在博士生罗芸论文答辩过程中，答辩委员鄢文豪教授由衷赞叹，“这是非常棒的工作！同时，这（以亲人名字命名新基因）也是所有做克隆基因工作的科研人的梦想！”。

参考文献

Jia H, Li M, Li W, Liu L, Jian Y, Yang Z, Shen X, Ning Q, Du Y, Zhao R, et al. 2020. A serine/threonine protein kinase encoding gene KERNEL NUMBER PER ROW6 regulates maize grain yield. Nature Communications 11: 988

Ning Q, Jian Y, Du Y, Li Y, Shen X, Jia H, Zhao R, Zhan J, Yang F, Jackson D, et al. 2021. An ethylene biosynthesis enzyme controls quantitative variation in maize ear length and kernel yield. Nature Communications 12: 5832

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