Nature Com.：现代甜玉米高质量参考基因组解析与关键功能基因挖掘学术资讯

来源：植物生物学

甜玉米已经成为全球最重要的蔬菜之一。作为一种特殊作物，甜玉米每年的农场交易价值为14亿美元，其中鲜食约占总价值的74%和加工(罐头和冷冻玉米)市场约占26%。这种淀粉类蔬菜富含膳食纤维、叶酸、烟酸、必需氨基酸、叶黄素和玉米黄质。但目前甜玉米的高质量参考基因组研究还不够深入。

2021年2月23日，佛罗里达大学Marcio F. R. Resende Jr团队在Nature Communications发表了题为Genome assembly and population genomic analysis provide insights into the evolution of modern sweet corn的研究工作，构建了甜玉米的高质量参考基因组序列，确定了与甜玉米性状相关的基因组区域和候选基因，如早花、胚乳组成、植株和雄穗结构以及籽粒行数等。该研究为比较基因组学、功能研究和基因组辅助育种提供了有力支撑。

甜玉米，这种淀粉类蔬菜富含膳食纤维、叶酸、烟酸、必需氨基酸、叶黄素和玉米黄质。甜玉米是淀粉生物合成途径基因突变的结果，淀粉合成途径通过增加胚乳中的糖含量而降低淀粉含量来改变碳水化合物的组成。早期商品化甜玉米杂交种通过利用淀粉去分支酶Sugary1(Su1)基因的突变来增加胚乳中的含糖量。由于这种酶有缺陷，成熟籽粒的胚乳将出现皱纹和半透明(图1A)。在20世纪70年代和80年代，甜玉米育种者开始了带有Srunken2(Sh2)基因突变的杂交玉米的开发，通过改善食用质量和货架期，该行业发生了革命性的变化。Shrunken2基因编码ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)的大亚基，AGPase是淀粉生物合成途径10的第一个关键酶。纯合的Sh2突变体积累了更多的糖，成熟的籽粒由于淀粉含量的减少而棱角分明，干缩(图1A)。与一些糖转化为水溶性多糖的纯合子su1突变体相比，纯合子sh2突变体在收获时含糖量较高，且该含量在采后下降的速度较慢。因此，今天大约75%的加工业和近100%的生鲜市场行业使用含有Sh2突变的杂交种。

除了胚乳成分，商用甜玉米杂交种在表型外观上与非甜玉米杂交种有显著不同。作为一种特产蔬菜，甜玉米植株被选为食用品质性状，如籽粒嫩度和颜色，以及影响消费者接受的几个审美性状，如外壳外观，丝和玉米棒颜色。此外，这些植株通常比大田玉米短，开花早，雄花序(雄穗)大。因此，甜玉米基因组将与先前组装的大田玉米基因组有很大不同。

本研究，对甜玉米自交系Ia453进行了测序，该自交系含有Sh2-R等位基因(Ia453-Sh2)。Ia453-Sh2是促成Sh2甜玉米选育的重要公共自交系，也是第一批商品化Sh2甜玉米杂交种Illini Chior和Illini Xtra Sweet的亲本之一。

通过结合单分子实时(SMRT)长阅读测序、生物纳米光学作图和Dovetail Hi-C作图技术，提供了高质量的甜玉米参考基因组。通过对Ia453-Sh2和6个大田玉米基因组的配对比较，确定了Ia453-Sh2的结构和遗传变异。对5381个玉米和teosinte基因型的系统发育分析揭示了teosinte、地方品种、现代甜玉米和一组不同的大田玉米品系之间的亲缘关系。最后，群体基因组分析确定了正在选择的基因组区域和与甜玉米性状相关的候选基因，如早花、较高含糖量和雄穗结构。该研究为甜玉米的比较基因组学、功能研究和基因组辅助育种提供了重要的资源。