大刍草等位基因有利于紧凑株型，提高玉米高密度种植的产量

名称：Teosinte ligule allele narrows plant architecture and enhances high-density maize yields

期刊：Science

作者及其第一单位：田金歌, et al, 田丰(中国农业大学)

DOI: 10.1126/science.aax5482

通过密植提高单位面积产量是解决粮食短缺的有效手段。直立叶株型有助于减少密植时植株间的遮挡，从而植株能够捕获足够的光进行光合作用。叶片和叶鞘形成的叶夹角（叶舌区域，包括叶舌和叶耳）决定了植株的整体株型。

UPA2通过ZmRAVL1调控叶夹角

利用866株BC₂S₃重组自交系群体（W22 X CIMMYT8759）共鉴定到12个QTLs，其中具有最大效应的时位于2号染色体的UPA2基因，且大刍草所携带的等位基因有助于减少叶夹角。UPA2的近等基因系UPA2-NIL^W22和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹的上、中、下叶的叶夹角全部不同，表明UPA2能够改表玉米株型。电子扫描显微镜和组织学分析发现两个近等基因系的耳廓细胞大小相似，但耳廓扩张有差异。UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹表现出直立叶，舌状区更小，成熟时耳廓更小，叶舌区域的近轴面具有更多的厚壁组织细胞层数。

(A) BC₂S₃ 群体中间叶叶夹角的QTLs定位 (B) UPA2-NILW²²和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹的大体形态(C) UPA2-NILW²²和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹的上中下叶叶夹角比较  (D) UPA2-NILW²²和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹的叶舌区域的扫描电镜分析  (E) UPA2-NILW²²和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹的叶舌宽和耳廓边缘比较 (F) UPA2-NILW²²和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹成熟耳舌区的横切面比较 (G) UPA2-NILW²²和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹近轴面耳廓细胞层的数量比较。

UPA2最终定位于240bp的非编码区域，GRMZM2G10205 9(ZmRAVL1)位于UPA2下游9540bp，且定位在细胞核。UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹叶中的表达量比UPA2-NIL^W22低，表明UPA2可能是ZmRAVL1的远端顺势调控元件。ZmRAVL1-RNAi和ZmRAVL1-KO株系的叶夹角减小，而ZmRAVL1-OE植株的叶夹角增大。表明ZmRAVL1正调控玉米叶夹角。

UPA2的图位克隆

 (A) ZmRAVL1-KO株系叶夹角减小 (B) ZmRAVL1-RNAi株系的叶夹角减小 (C) ZmRAVL1-OE株系的叶夹角增大

W22和8759品种中UPA2的序列分析表明，两者具有一个SNP和3个序列多态性（S1-S4）。其中S2 (TG/-) 侧翼序列包含一个C2C2结合基序，且drl1 (drooping leaf1)和 drl2的N端包含C2C2结合基序，且其突变体叶夹角增加，表现为披叶。电泳迁移率变化分析(EMSA)和染色质免疫沉淀PCR(Chip-qPCR)表明UPA2的S2位点突变改变了和DRL1的结合能力。

lg1和lg2突变体中ZmRAVL1的表达受到抑制，而ZmRAVL1-KO株系中，lg1和lg2的表达没有变化，且ZmRAVL1-KO株系中叶舌发育正常，仅耳廓扩张受到影响，表明ZmRAVL1与 lg1和lg2下游。酵母单杂(Y1H)和EMSA表明LG1能结合到ZmRAVL1启动子区域的GTAC位点。

 (A)UPA2和ZmRAVL1.S2的相对位置 (B) S2突变体的EMSA实验表明S2位点突变使与DRL1的结合能力改变  (C) ChIp-qPCR表明DRL1能在体内结合到S2序列附近(D) EMSA实验表明LG1能结合到ZmRAVL1启动子区域的GTAC位点 (E) ChIp-qPCR表明富集片段包含ZmRAVL1启动子区域的GTAC位点

酵母双杂(Y2H)和荧光素酶互补实验表明LG1和DRL1互作。荧光素酶报告系统表明DRL1与LG直接互作，减少其对ZmRAVL1的抑制作用。

(A) Y2H 实验表明LG1和DRL1在体外互作 (B) 荧光素酶互补实验表明LG1和DRL1体内互作 (C) 瞬时转录激活实验所用载体的示意图 (D) DRL1抑制LG1对ZmRAVL1的激活

UPA1编码brd1

GRMZM2G103773 (UPA1)位于1号染色体，编码brd1（油菜素内酯合成最后一步催化酶），UPA1改变近轴面耳廓大小和厚壁组织细胞层数，增大叶夹角，且对于不同的叶具有冠层效应。W22和8759品种中UPA1的序列分析表明UPA1具有7个SNPs，其中有两个非同义突变但未位于保守区域。UPA1-NIL⁸⁷⁵⁹叶中的表达量比UPA1-NIL^W22高，UPA1-NIL^W22表现为小叶夹角。brd1-OE叶舌发育正常但叶夹角增大，表明brd1参与玉米叶夹角的调控。

ZmRAVL1-KO株系中甾酮含量下降，brd1的表达下降，而brd1-OE中甾酮含量上升，ZmRAVL1的表达量未发生变化表明ZmRAVL1影响内源油菜素甾醇的含量。

(A) UPA1-NIL^W22和UPA1-NIL⁸⁷⁵⁹的大体形态 (B) UPA1-NIL^W22和UPA1-NIL⁸⁷⁵⁹的不同叶片的叶夹角比较 (C) UPA1位于1号染色体 (D) UPA1的精细定位 (E) 定位片段仅包含UPA1（GRMZM2G103773）一个基因。

UPA1-UPA2共同调节叶夹角模型

位于ZmRAVL1上游9.5Kb的UPA2由2-bp的突变控制，UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹包含TG核苷酸，和DRL1具有高的亲和力，DRL1与LG结合，并抑制LG1对ZmRAVL1激活表达作用，低ZmRAVL1表达下调brd1的表达，使内源油菜素甾醇含量下降，叶夹角减少。UPA2-NIL^W22具有低的DRL1结合能力，释放LG1激活ZmRAVL1的表达，进一步上调brd1的表达，内源油菜素甾醇上升，叶夹角增大。

大刍草的UPA2和编辑ZmRAVL1提高玉米产量

在508份玉米自交系、50份地方品种和45大刍草品种中检测是否含有S2基因型，发现仅2份大刍草品种含有S2基因型，表明S2突变在驯化时丢失。

在高密度种植条件下(>67,500 and 105,000 株/公顷），UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹产量更高，密植增加所造成的减产比列降低。将大刍草等位基因UPA2渗入到农大108中，发现低密植条件下与野生型产量相似，但高密植条件下，UPA2渗入系得产量更高。表明大刍草等位基因UPA2能够用于现代玉米品种的株系改良，并提高密植时的产量。

ZmRAVL1-KO株系的叶夹角减少，高密植条件下产量增高。利用剔除Cas蛋白的ZmRAVL1-KO株系、ZmRAVL1-RNAi与其他自交系杂交，发现杂交种ZmRAVL1表达下降，叶夹角减少。因此，操纵ZmRAVL1可以产生直立叶株型，提高密植状态下的产量。

(A) UPA2-NILW²²和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹株系的单株产量比较 (B) UPA2-NILW²²和UPA2-NIL⁸⁷⁵⁹株系每公顷产量(C) 农大108和农大108的UPA2渗入系的单株产量比较  (D) 农大108和农大108的UPA2渗入系的每公顷产量比较  (E) ZmRAVL1-KO株系和WT的单株产量比较  (F) ZmRAVL1-KO株系和WT的每公顷产量比较

可能存在的问题

1、 大刍草和玉米之间是否存在杂交不亲和？

2、 是否有和大刍草等位基因连锁的其他不利基因？

3、 玉米中是否有ZmRAVL1的自然变异品种？