中国科学家创建世界上最大玉米转座子插入资源库

不知你有没有注意到，从菜市场买回来的玉米，有的是黄灿灿的，有的却像个大花脸，中间夹杂着紫色、白色的玉米粒？

其实，这是玉米的天性使然。玉米基因中有很多非常活跃的转座子，它们就像一支“小画笔”，跳到哪个基因上，就会抹去那里本来的“颜色”。因此导致籽粒颜色变化有一部分是转座子运动产生的。

转座子改变的不仅是玉米子粒颜色，还有株高、抗性、产量等几乎所有性状。这一独特的基因属性，引起了科学家们的兴趣。为了育种需要，我们不仅要抑制转座子跳跃带来的表型不稳定，同时也要利用转座子的跳跃选育优良品种。

近日，江苏省农业科学院种质资源所赵涵研究员团队、中国农业大学宋任涛教授团队和上海大学经过7年合作，创建了目前世界上最大的玉米转座子插入资源库，为全球玉米基因组研究提供重要遗传资源。相关研究报告近日发表在国际著名学术期刊《植物生理学》上。

玉米籽粒颜色变化的困惑

在日常生活中，我们常常能看到一些五颜六色的“花玉米”。在普通人看来，这并不是什么大不了的问题，因为吃起来口感并没有什么不同。

但是半个世纪前，美国科学家芭芭拉·麦克林托克却对此感到困惑，通过坚持不懈的研究最终发现了“跳跃基因”，也就是转座子。她也凭借着对转座子的开创性研究获得了诺贝尔奖。

转座子是染色体上一类可移动的DNA片段，能够从染色体上的一个位置跳到另一个位置。“转座子在生命体中广泛地存在，但玉米中的转座子最多，占到DNA分子的50%以上。这些具有转座能力的遗传因子，能够引发玉米基因组重排，使玉米品种遗传多样性增加。”据江苏省农科院种质资源与生物技术研究所副研究员周玲介绍，当转座子跳跃到某个有功能基因内部或邻近位点时，就会引起这个基因控制的功能丧失。

由于转座子的跳跃决定着玉米性状，故而研究人员希望通过控制转座子的跳跃，获得更加优化的品种。

1978年，科学家发现一种新的转座子体系——Mu转座子家族。这是迄今为止植物中发现的转座活性以及诱变能力最强的转座元件。一般转座子跳跃影响的性状并不明显，而当Mu转座子跳跃到某个基因后，可以使基因功能丧失，产生大量的突变表型，形成明显改变的性状。

在基因功能的研究中，突变体是最直接有效的材料。而Mu转座子插入突变体库的创制，为玉米研究者提供了丰富的遗传资源。因此，国外学者多年前就开始以Mu转座子供体材料与其他玉米自交系杂交，从中挑选插入诱变群体中的突变个体，并形成插入突变体库。

基因突变体库已向全球玉米研究人员开放

构建大型基因突变体库，已成为创造玉米种质、获得突变基因、分离克隆玉米重要功能基因，进而开展功能基因组学研究的重要方法之一。可以说，谁拥有了大型的基因突变体库，谁就可以走在相关研究的前沿。

过去，国内学者对某一个玉米性状进行研究时，需要向美国构建的UniformMu插入数据库申请突变体资源。“申请手续繁琐，且质量得不到保证，不利于国内相关领域的研究发展。”周玲说。

从2012年起，江苏省农科院与中国农业大学便开始合作构筑由Mu活性系突变形成的基因突变体库。“构筑突变体资源库的原理，就是利用Mu活性系与对照样本——B73自交系进行杂交，采用转座子标签分离技术结合第二代高通量测序技术，对材料中的Mu转座子进行定位，从而形成大量的突变体材料。”周玲告诉记者。

通过年复一年的杂交种植，他们对20000多株样本逐一进行基因测序，筛选出2581株遗传性状显著的玉米，纳入基因突变体库。

经过7年努力，目前的突变体基因库获得了丰硕成果。他们在2581个突变体材料中，通过Mu标签富集和高通量测序技术，结合生物信息学分析，以及大范围内验证插入位点的可遗传性，获得了约97000个可遗传插入位点，是美国插入数据库UniformMu的2倍。其中66565个位点为高质量可遗传插入，插入覆盖了玉米20244个（45.7%）基因，其中13425个基因存在两个及以上的插入。与美国的同质基因库相比，覆盖面更广，可供研究的性状也更多，对未来的玉米种质优化有着深远影响。

“我们基因突变体库还在补充完善之中，最终目标是形成4000多个突变体材料，获得更多的可遗传插入位点。”据周玲透露，这个基因突变体库的插入位点，已经对全球玉米研究人员开放共享。