近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所玉米功能基因組團隊與作物代謝調(diào)控與營養(yǎng)強化團隊合作，首次對玉米自交系全生育期進行全自動高通量無損監(jiān)測，深入解析了玉米株高形成的動態(tài)遺傳基礎(chǔ)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并通過機器學(xué)習(xí)構(gòu)建了株高的智能預(yù)測模型。該研究為玉米表型精準鑒定、重要基因克隆和株型改良提供了有效策略和新的基因資源。相關(guān)研究成果發(fā)表在《分子植物（MolecularPlant）》上。

全自動高通量表型組平臺監(jiān)測玉米全生育期的株型

【資料圖】

玉米是我國種植面積最大、產(chǎn)量最高的糧食作物，對保障國家糧食安全至關(guān)重要。優(yōu)良的耐密株型是實現(xiàn)豐收高產(chǎn)的重要前提。玉米株型、產(chǎn)量等復(fù)雜性狀的研究離不開表型精準鑒定，但傳統(tǒng)的表型性狀分析存在測量通量低、耗時費力、精度不高、有破壞性等缺點，難以做到全天候、全生育期的動態(tài)監(jiān)測?！氨硇丸b定瓶頸”嚴重阻礙了玉米基因資源的挖掘和重大品種的培育，因此亟待開發(fā)作物全生育期高通量表型組精準鑒定技術(shù)，推進耐密理想株型重大基因挖掘和新品種培育。研究人員利用228份具有廣泛遺傳變異的玉米自然群體，在高通量3D表型組平臺對玉米全生育期進行全天候動態(tài)檢測，獲得了約24.4萬張表型圖像。在此基礎(chǔ)上，研究人員還研發(fā)了多光學(xué)圖像批處理程序，分析并提取了77個覆蓋玉米全生育期株型、生物量、生長速率等關(guān)鍵圖像性狀。結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定了4945個顯著的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和1974個候選基因，構(gòu)建了基因和圖像性狀的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并通過突變體分析驗證了核心基因ZmVATE在調(diào)控玉米節(jié)間發(fā)育和株高上的生物功能。

研究人員進一步利用早期性狀構(gòu)建機器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測玉米最終的株高，發(fā)現(xiàn)僅需5個圖像性狀就可在早期發(fā)育階段對最終株高進行預(yù)測，預(yù)示著這些性狀可作為潛在的株高發(fā)育相關(guān)生物標記，對玉米株型改良和遺傳育種具有重要的應(yīng)用價值。該研究深入解析了玉米株高形成的動態(tài)遺傳基礎(chǔ)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，拓展了人們對株型發(fā)育機制的理解，為玉米精準表型鑒定、基因資源挖掘、表型預(yù)測及遺傳改良提供了重要的數(shù)據(jù)支撐和基因資源。

該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院重大科研任務(wù)、科技創(chuàng)新工程等項目資助。

學(xué)術(shù)支持

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所

制作

光明網(wǎng)科普事業(yè)部

記者

宋雅娟 謝蕓