Nat. Genet | 中农董朝斌团队揭示玉米驯化基因tsh4在株型和穗型发育中的调控作用

在玉米从其祖先大刍草驯化而来的8000至10000年历史中，其株型和穗型经历了显著的演变。尽管株型和穗型分别与营养器官和生殖器官相关，但它们在发育过程中有着紧密的联系和共同的遗传基础。尽管已知几个关键基因如_tb1、tga1、tru1、gt1_在玉米驯化中起作用，但这些基因如何协同调控株型和穗型的变化尚不清楚。

2024年10月16日，中国农业大学董朝斌教授领导的研究团队在《Nature Genetics》上发表了一篇论文：A regulatory network controlling developmental boundaries and meristem fates contributed to maize domestication，揭示了一个新的玉米驯化关键基因_tsh4_，并指出该基因位于已知调控网络的顶端，控制着不同发育阶段和性状的分子机制。这项研究为玉米株型和穗型的遗传改良提供了重要的理论基础。

研究团队利用大刍草和玉米的重组自交系群体进行QTL分析，发现多个驯化性状的QTL都定位于tsh4位点，表明该基因在营养生长和花序发育中都起着关键作用。进一步研究发现，TSH4与SBP家族的其他转录因子存在功能冗余，其突变体会表现出与大刍草相似的表型，如分蘖增多和性别决定缺陷。

多驯化性状遗传定位共同鉴定到 tsh4 位点

通过ChIP-seq和转录组测序，研究团队绘制了TSH4的全基因组调控网络，并发现生长素信号转导途径在其中显著富集。TSH4能够激活多个生长素信号抑制因子的表达，从而抑制生长素信号通路。此外，TSH4还能直接结合并抑制约1/4的miRNA位点，包括其自身的负调控因子miRNA156和miRNA529。

tsh4 与同源基因 ub2/ub3 部分功能冗余调控驯化表型

这项研究还发现，TSH4能够直接调控包括tb1、tru1、tga1在内的一系列经典驯化基因，确定了其在驯化调控网络中的核心作用，并深化了对玉米驯化过程分子调控机制的理解。

驯化核心因子TSH4介导株型穗型发育边界建成的分子基础

中国农业大学玉米生物育种全国重点实验室、国家玉米改良中心、农学院 董朝斌 教授为该论文第一及共同通讯作者。美国加州大学伯克利分校 George Chuck 研究员为共同通讯作者。

详见：中国农业大学董朝斌团队合作解析玉米驯化新基因tsh4调控株型穗型发育机制

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附玉米驯化过程中的一些关键基因：

• TEOSINTE BRANCHED 1 (TB1)：这是一个关键的转录因子，它控制着玉米的分蘖模式和花序的发育。在驯化过程中，TB1的变异导致了玉米的分支减少，从而使得能量更多地集中在主茎上，提高了产量。

• TEOSINTE GLUME ARCHETYPAL 1 (TGA1)：这个基因与TB1一起工作，影响玉米的花序结构。

• TETRAPLOIDY RELATED UNUSUAL SPIKELET 1 (TRS1)：这个基因在玉米的四倍体祖先中存在，它的变异有助于形成现代玉米的穗结构。

• GLOSSY15 (GL15)：这个基因影响玉米籽粒的质地和光泽，是驯化过程中籽粒改良的一个关键因素。

• APOSTATELESS RELATED/BTB DOMAIN 1 (ABR1)：这个基因与玉米的花序发育相关，其变异影响了玉米的花序结构。

• INDETERMINATE SPIKELET 1 (IDS1)：这个基因与玉米的花序发育和籽粒形成有关，其变异有助于形成现代玉米的穗结构。

• MAYSEED1 (MS1)：这个基因与玉米的籽粒发育有关，其变异有助于形成现代玉米的籽粒结构。

• RAMOSA 1 (RA1)：这个基因与玉米的分支结构有关，其变异影响了玉米的分支模式。

• MILLET GLUTELIN PERSISTENCE 1 (MGP1)：这个基因与玉米籽粒的外胚乳形成有关，其变异有助于形成现代玉米的籽粒结构。