人才强校 | 田丰、李溱研究团队揭示玉米驯化过程中的代谢分化

本网讯 近日，《The Plant Cell》杂志在线发表了我校田丰教授和李溱副教授团队的合作论文"Evolutionary Metabolomics Identifies Substantial Metabolic Divergence between Maize and Its Wild Ancestor, Teosinte"。该研究结合代谢组学、群体遗传学和数量遗传学，系统解析了玉米驯化过程中的代谢分化，并进一步通过多组学分析鉴定了控制代谢分化的功能基因。

玉米是大约9000年前由分布于墨西哥西南部的大刍草驯化而来的。在驯化过程中，玉米的植株形态发生了巨大的变化，如分蘖减少、雌穗变大、籽粒由果壳包被到裸露等；而且，玉米驯化后向高纬度地区传播过程逐渐适应了广泛的温带环境，适应性发生了根本性的变化。代谢物是连接基因型与表型的桥梁，在植物生长发育和环境适应性方面发挥着重要作用。然而，代谢物在玉米驯化和适应过程中发生了怎样的分化还知之甚少。

该研究利用非靶标液相色谱-质谱联用（LC-MS）对大刍草、热带玉米和温带玉米幼苗进行了代谢谱检测，获得了丰富的代谢组数据。研究发现从大刍草到热带玉米和温带玉米进化过程中，玉米幼苗代谢组发生了逐步的分化，在玉米两个进化阶段不同的代谢物受到了强烈选择。例如，萜类、脂质和生物碱主要在大刍草和热带玉米间发生分化；而苯并噁嗪类化合物主要在热带玉米和温带玉米间发生分化。这些代谢物在大刍草和不同玉米群体间发生分化可能是玉米适应不同生长环境造成的结果。例如，苯并噁嗪代谢途径中HDMBOA在热带玉米中含量较高，此代谢物可以有效抑制热带地区咀食性昆虫的危害；而DIMBOA在温带玉米中含量较高，它通过诱导胼胝质积累可以降低温带地区的蚜虫等刺吸式昆虫的危害。

为了研究这些代谢物发生分化的遗传基础，作者利用大刍草和栽培玉米杂交、回交衍生得到的重组自交系群体对分化代谢物进行了mQTL定位分析。研究发现最近发生的代谢分化相对早期的代谢分化遗传基础更简单。研究鉴定到大量mQTL热点区域，这些区域特异地影响某类代谢物。作者进一步结合该重组自交系群体的幼苗转录组数据，鉴定出了调控mQTL的候选基因。与群体基因组数据的整合发现，分化代谢物mQTL的候选基因在玉米驯化过程中更倾向于受到选择。作者通过转基因和突变体分析，证实了FHT1、Pr1和ZmTPS1在类黄酮和萜类代谢物分化中发挥了重要作用。该研究不仅揭示了玉米驯化、适应过程伴随着深刻的代谢分化，而且展示了多组学数据的结合在解析数量性状遗传基础上的强大功效。

我校博士研究生许光辉和曹晶晶为论文共同第一作者，农学院田丰教授和生物学院李溱副教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、青年千人计划和中央高校基本科研业务费专项资金资助。