2023年12月1日，Science（《科學》）雜志在線發(fā)表了華中農(nóng)大嚴建兵教授團隊聯(lián)合加州大學戴維斯分校Jeffrey Ross-Ibarra團隊的研究論文。研究提出了一個全新的玉米起源模型，發(fā)現(xiàn)兩份完全不同的大芻草：小穎大芻草亞種（Zea mays ssp. Parviglumis）和墨西哥高原大芻草亞種（Zea mays ssp. mexicana）為現(xiàn)代玉米的祖先，修正了玉米單一起源于小穎大芻草亞種的假說。同時，證明了墨西哥高原大芻草亞種對現(xiàn)代玉米表型變異的重要貢獻。該研究為理解人為機制對作物馴化起源的影響提供了良好范例，并為利用野生資源進行作物遺傳改良奠定重要理論基礎(chǔ)。
許多被馴化的作物保留著野生植物的類似形態(tài)，玉米作為重要的馴化作物，形態(tài)與其野生近源種存在較大差異，也引發(fā)了玉米起源的科學爭議。目前被廣泛接受的是“單起源假說”，且在分子標記技術(shù)的支持下，證明玉米是單一起源于小穎大芻草亞種。
小穎大芻草亞種是生長在墨西哥低海拔的低地大芻草，墨西哥高原大芻草亞種是生長于墨西哥高地的一種野生種?？脊刨Y料表明玉米在6200年前被引種至墨西哥中部高海拔地區(qū)與高原大芻草形成共生，在這之前玉米已擴散到南美洲，對墨西哥和南美洲高海拔玉米農(nóng)家種的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代玉米存在墨西哥高原大芻草亞種基因滲透的證據(jù)，最早可以追溯到5300年前的玉米樣品。這些結(jié)果，結(jié)合長期存在的雜交考古證據(jù)，對單一起源的簡單模型的充分性提出了挑戰(zhàn)。
為闡明墨西哥高原大芻草亞種在玉米中的遺傳貢獻，研究團隊分析了超過1000個野生大芻草和現(xiàn)代玉米的基因組，包括來自北美洲和南美洲的古玉米樣本，均發(fā)現(xiàn)了墨西哥高原大芻草亞種基因滲透的情況，證明了墨西哥高原大芻草亞種為現(xiàn)代玉米的第二祖先。且5000多份美洲玉米農(nóng)家種基因組數(shù)據(jù)進一步證實了這一結(jié)果。但存在一份南美洲古玉米（N16）中并沒有檢測到墨西哥高原大芻草亞種的基因滲透。
圖1 群體遺傳學分析證明兩份大芻草對現(xiàn)代玉米基因組均具有廣泛貢獻。（A）墨西哥高原大芻草亞種對美洲玉米農(nóng)家種基因組的廣泛貢獻。（B）現(xiàn)代玉米起源新模型。（C）現(xiàn)代玉米馴化與地理擴散假說。（D）墨西哥高原大芻草亞種基因滲透片段的檢測。黑色片段代表墨西哥高原大芻草亞種滲入至現(xiàn)代玉米基因組中的片段。（E）滲入片段影響現(xiàn)代玉米表型變異。
研究團隊將種群歷史模型與真實數(shù)據(jù)進行擬合，揭示了現(xiàn)代玉米史上的多個混合事件。在此基礎(chǔ)上，研究團隊提出了一個新的玉米起源模型，初始馴化玉米單起源于墨西哥低地大芻草，并擴散至美洲，之后初始馴化玉米傳播到墨西哥中部高地并與墨西哥高原大芻草雜交，并適應了高原環(huán)境。這份雜合高原古玉米從墨西哥高原迅速傳播到美洲取代或與初始馴化玉米雜交，并在墨西哥低海拔地區(qū)與墨西哥低地大芻草再一次雜交。
為調(diào)查墨西哥高原大芻草亞種與現(xiàn)代玉米表型的關(guān)系，研究團隊深入分析發(fā)現(xiàn)800多個玉米基因組中有15-25%的基因組來自墨西哥高原大芻草亞種基因組的滲透。研究人員鑒定到11個可能受到人類正向選擇而在現(xiàn)代玉米中已經(jīng)固定的墨西哥高原大芻草亞種基因片段。研究團隊針對其中一個光周期基因ZmPRR37a，通過基因編輯和轉(zhuǎn)基因驗證了該基因在長日照條件下控制開花的功能，說明該基因的滲透可能幫助玉米向高緯度地區(qū)擴散時適應長日照條件下提前開花。以滲透劑量為新型標記發(fā)現(xiàn)墨西哥高原大芻草亞種基因滲透與玉米農(nóng)藝、品質(zhì)及抗性性狀相關(guān)，全基因組分析對各類表型鑒定了25個受墨西哥高原大芻草亞種滲透影響的關(guān)鍵位點。這些結(jié)果證明墨西哥高原大芻草亞種基因滲透是玉米多樣性的關(guān)鍵組成部分。這些結(jié)果不僅突出了過去作物野生近緣種的重要性，而且指出了它們作為未來育種適應性多樣性來源的潛力。
—— 原文 ——
Ning Yang, et al. Two teosintes made modern maize[J]. Science, 382, eadg8940 (2023).
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