玉米已经发展成为第一大粮食作物，在鲜食、饲料及深加工等领域具有十分重要的作用。随着不断地人工驯化，按照玉米生物学特征及其用途可以分为普通玉米、糯玉米、甜玉米和爆裂玉米等。普通玉米相比爆裂玉米，粒重和籽粒大小约为爆裂玉米的2至3倍。已有部分研究鉴定到爆裂玉米中影响粒重和粒型的QTL位点，但并未克隆到影响爆裂玉米籽粒大小和粒重的主效基因。因此，从遗传和分子层面阐明普通玉米与爆裂玉米中调控粒重和粒型的关键基因，明确其作用的分子机制，对玉米遗传改良具有重要意义。
近日，河南农业大学李玉玲教授团队联合中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿研究员团队在国际植物学领域著名期刊《Plant Biotechnology Journal》（IF：13.8）上发表了一篇题为“Genetic variation in ZmKW1 contributes to kernel weight and size in dent corn and popcorn”的研究论文。经过课题组成员十多年接力研究，从爆裂玉米中克隆了控制粒重和粒型的关键基因ZmKW1，并验证了该基因的生物学功能，解析了该基因调控粒重和粒型的分子机制及其潜在应用价值
图1 图位克隆粒重候选基因ZmKW1
前期研究利用爆裂玉米和普通玉米自交系构建RIL，F2:3和BC2F2群体，将百粒重QTL定位在1，2，5，7和10号染色体（Li, et al., 2011）。本研究进一步构建回交群体BC5F2，将百粒重主效位点qKW1精细定位在1号染色体42.1 kb区间内，包含唯一候选基因ZmKW1，该位点编码一个含有seven in absentia结构域的E3泛素连接酶。利用过表达和基因编辑遗传验证，结果表明ZmKW1基因负调控粒重和粒型。细胞学及生化分析，ZmKW1通过负调控胚乳细胞数量和大小，以及影响胚乳填充，从而负调控粒重和粒型。
图2 自然群体自交系连锁分析启动子Indel-1346调控粒重
通过近等基因系的序列差异比较和基因表达分析发现，爆裂玉米近等基因系qKW1N与普通玉米近等基因系qKW1D编码氨基酸序列相同，启动子中包含多处SNP和Indel差异，qKW1D中候选基因ZmKW1表达水平较qKW1D更高。111份玉米自交系关联与连锁分析，鉴定到ZmKW1基因启动子上游2.8 kb区域同样包含qKW1N和qKW1D两种单倍型，启动子活性分析表明了Indel-1346增强了报告基因的表达。有趣的是，512份普通玉米自交系中qKW1N单倍型占71.5%，而138份爆裂玉米自交系中qKW1N单倍型占100%。该研究结果对玉米籽粒发育和产量调控机制的认识，为未来提高玉米产量提供了理论基础，同时也为基因编辑在玉米遗传研究的应用提供了参考。
河南农业大学博士后张龙，青年教师李文钰博士和中国科学院分子植物卓越创新中心已出站博士后付苗苗为论文的共同第一作者，李玉玲教授和巫永睿研究员为本文的共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、河南省中原学者、河南省玉米产业体系、河南省重大公益专项及河南省高等学校重点科研等项目的资助。
文章来源：植物生物技术Pbj
