热点评 Science | 大刍草稀有等位基因促进玉米密植高产

玉米(Zea mays)种植密度的增加是玉米增产的重要途径之一。美国玉米的种植密度由20世纪30年代的35 000株∙hm^–2提高到了21世纪初的80 000株∙hm^–2 (Lee and Tollenaar, 2007); 中国玉米的种植密度在最近10年也有显著增加, 以黄淮海夏玉米主产区为例, 由2005年的58 200株∙hm^–2增加到2016年的62 100株∙hm^–2 (明博等, 2017)。叶夹角是影响玉米种植密度的重要因素, 已有多项研究克隆了控制玉米叶夹角的基因, 包括lg1 (liguleless1) (Moreno etal., 1997)、lg2 (Walsh et al., 1998)、ZmTAC1 (Ku et al., 2011)、ZmCLA4 (Zhang et al., 2014)、na2 (nana plant2) (Best et al., 2016)、drl1 (drooping leaf 1)和drl2 (Strable et al., 2017)。lg1编码含SBP结构域的蛋白, 该基因突变体的叶舌和叶耳缺失、叶片直立; lg2编码bZIP转录因子; ZmTAC1是水稻(Oryza sativa)中控制叶夹角基因OsTAC1 (Yu et al., 2007)的同源基因; ZmCLA4是水稻中OsLAZY1 (Li et al., 2007)的同源基因, 通过影响向重力性调控叶夹角; na2编码油菜素内酯(brassinos­teroid, BR)生物合成途径的关键酶, 是拟南芥(Arabi­do­psis thaliana)中DWARF1 (Choe et al., 1999)的同源基因; drl1和drl2均编码YABBY家族转录因子, 且drl2可以增强drl1的作用。

lg1和lg2双突变体的遗传分析表明, 这2个基因位于同一条叶发育途径, 但是发挥不同功能, 且lg2发挥作用早于lg1 (Harper and Freeling, 1996)。na2调控BR合成, 而BR则可能调控drl1和drl2的活性(Strable et al., 2017), 表明这3个基因可能通过BR相关途径来调控叶夹角。上述研究结果表明, BR信号途径在调控玉米叶夹角中有非常重要的作用, 但这3个基因参与BR途径的具体方式以及它们之间是如何互作的仍然不清楚。

玉米和大刍草(teosinte)均属于玉蜀黍属(Zea), 除玉米外, 该属的其它7个亚种统称为大刍草, 其中Z. mays ssp. parviglumis是玉米的直接祖先种。最近, 田丰课题组利用大刍草(CIMMYT accession 8759, 属于Z. mays ssp. parviglumis)和玉米自交系W22杂交构建的BC₂S₃群体, 定位了12个控制叶夹角的QTLs, 并对其中2个效应最大的QTLs—UPA1 (Upright Plant Architecture1)和UPA2进行了精细定位。UPA1被定位到223 kb区间内, 该区间仅包含1个参与BR合成途径的基因(brassinosteroid C-6 oxidase1, brd1); UPA2则被定位到240 bp非编码区间内,该区间位于ZmRAVL1 (B3结构域转录因子)上游9.5 kb。功能验证结果表明, 相比对照材料, ZmRA-VL1的RNAi和CRISPR/Cas9敲除植株叶夹角变小, 而超表达植株叶夹角变大; brd1的超表达植株具有更大的叶夹角(Tian et al., 2019)。

ZmRAVL1的功能位点是位于UPA2内的2个碱基插入缺失(2 bp InDel), 这2个碱基的插入缺失位于1个可被C₂C₂结合的motif (AGTGTG)中, 而drl1和drl2编码的YABBY转录因子可以识别这个motif。因此, 研究人员通过凝胶迁移(electrophoretic mobility shift assays, EMSA)和ChIP-qPCR实验, 发现含有2 bp插入的大刍草等位基因比玉米等位基因具有与DRL1蛋白更强的结合能力。

在lg1和lg2的双突变体中, ZmRAVL1的表达显著下调; 而在ZmRAVL1的敲除植株中, lg1和lg2的表达没有改变, 这说明ZmRAVL1位于lg1和lg2所在途径的下游; 而ZmRAVL1的启动子区存在2个GTAC的motif, 这种motif可以被SBP蛋白识别, 研究人员据此推测LG1蛋白可以结合ZmRAVL1的启动子区, 进而调控其表达。通过酵母单杂交、EMSA和ChIP-qPCR等技术手段, 研究人员进一步证实了这一推测, 表明LG1直接调控ZmRAVL1的表达。

DRL1结合远距离(9.5 kb)含AGTGTG的motif, 而LG1结合近距离(启动子区)含GTAC的motif, 那么这2个蛋白之间是否存在互作? 研究人员利用酵母双杂交及荧光素酶互补实验(firefly luciferase complementation imaging assay, LCI)在体外和体内均证实DRL1和LG1这2个蛋白间存在直接互作。此外, 玉米原生质体的瞬时表达分析证实, 相比玉米等位基因, UPA2的大刍草等位基因驱动的荧光素酶活性低; 单独表达LG1可以提高UPA2的大刍草和玉米等位基因驱动的荧光素酶活性; 单独表达DRL1则抑制UPA2的大刍草和玉米等位基因驱动的荧光素酶活性; 而LG1和DRL1共表达则会抑制LG1对ZmRA­VL1的激活作用。综上, DRL1蛋白可与LG1蛋白直接互作, 且两者间的互作会抑制LG1对ZmRAVL1的表达激活作用。

在UPA1的近等基因系中, brd1的表达量越高, 叶夹角越大, brd1超表达材料也进一步证实了这一结果, 表明brd1通过表达量的改变调控叶夹角。在ZmRAVL1的敲除突变体中, brd1的表达量显著下调; 而在brd1的超表达材料中, ZmRAVL1的表达没有改变, 表明brd1位于ZmRAVL1下游。ZmRAVL1编码含B3结构域的转录因子, 此类转录因子可以结合E-box motif (CANNTG) (Je et al., 2010), 而brd1的启动子区含有5个此类motif, 酵母单杂交、EMSA、ChIP-qPCR及原生质体瞬时表达等实验均证实ZmRAVL1蛋白可以结合brd1的启动子区, 进而调控brd1基因的表达。brd1超表达植株的内源BR水平显著升高, 而ZmRAVL1敲除植株则显著降低。

Tian等(2019)的研究进一步明晰了玉米叶夹角的调控途径(图1)。LG1激活ZmRAVL1的表达, DRL1抑制ZmRAVL1的表达, DRL1与LG1蛋白互作抑制LG1对ZmRAVL1的激活作用。ZmRAVL1调控下游brd1的表达, 而brd1通过调控BR的合成调控玉米叶夹角大小。综合来看, 仍有几个问题亟待解决: (1) lg2与lg1位于同一个调控途径, 且lg2发挥功能早于lg1, 它们之间如何相互作用仍不清楚; (2) LG1与DRL1的互作机制比较清晰, DRL2作为DRL1的增强子, 可以增强DRL1的作用, 但DRL2如何影响DRL1以及是否与LG1之间存在互作, 仍然未知; (3) ZmTAC1和ZmCLA4通过何种途径调控叶夹角以及是否与其它基因之间存在相互作用, 也是一个值得探讨的话题。

UPA1和UPA2的克隆不仅清晰地解析了玉米叶夹角调控途径的遗传机理, 而且在实际生产应用上也有巨大价值。将大刍草的UPA2等位基因导入玉米杂交种(农大108)中, 可以在高密植条件下(10 500株∙hm^–2)显著增产; 对ZmRAVL1进行遗传操作(CRISPR/Cas9和RNAi), 也可以显著改良玉米株型, 并提高玉米耐密植程度(Tian et al., 2019)。

图1  玉米叶夹角的调控途径

lg2调控lg1, 但具体机制未知。LG1激活ZmRAVL1的表达, DRL1抑制ZmRAVL1的表达, DRL1与LG1蛋白互作抑制LG1对ZmRAVL1的激活作用(DRL2可能具有与DRL1类似的功能)。ZmRAVL1调控下游brd1的表达, brd1和nana plant2 (na2)都参与油菜素内酯(brassinosteroid, BR)的生物合成。这些基因均通过BR途径调控玉米叶夹角形成。实线表示机制已被阐明, 虚线表示机制未知。

 

Figure 1  A proposed pathwayregulating the leaf angle in maize

lg2 regulates lg1 with an unknown mechanism. LG1 and DRL1 activates and represses the expression of ZmRAVL1, respectively. The DRL1-LG1 complex represses the LG1-activated ZmRAVL1 expression (DRL2 may have a similar function as DRL1). ZmRAVL1 regulates the expression of brd1, which, together with nana plant2 (na2), are involved in the biosynthesis of brassinosteroid (BR) and eventually regulate leaf angle. Solid and dash lines indicate the clear and unclear regulatory mechanism, respectively.

田丰课题组这项研究是玉米功能基因组研究的重大进展之一, 该研究不但清晰展示了玉米叶夹角的分子调控网络, 也对玉米的密植高产育种具有直接指导意义, 是理论研究指导育种应用的最佳范例之一。值得指出的是, 通过对大量农家种和栽培玉米品种进行测序分析, 结果表明减小叶夹角的含2 bp插入的UPA2等位基因在农家种和栽培种中均不存在, 在大刍草群体中的比例也非常低(4.4%), 暗示这个优良等位基因在驯化过程中并没有被选择利用。这一发现也提醒我们, 野生大刍草群体中可能存在大量在玉米驯化和选择过程中被丢失的有利等位变异, 这是未来作物遗传改良应予以重视的一个方向。

论文原文PDF下载: Tian J, Wang C, Xia J, WuL, Xu G, Wu W, Li D, Qin W, Han X, Chen Q, Jin W, Tian F (2019). Teosinte ligule allele narrows plant architecture andenhances high-density maize yields. Science 365, 658–664.

点评原文PDF下载: 刘杰, 严建兵 (2019). 大刍草稀有等位基因促进玉米密植高产. 植物学报 54, 1–4.