我国科学家建立全球首个鲜食玉米代谢组数据库

近日，北京市农林科学院玉米所赵久然研究员团队发表最新研究成果，通过分析鲜食玉米全景代谢组分化特征，确定了甜、糯玉米的主要代谢分化模式，并发现了驱动鲜食玉米代谢物趋同分化的主要遗传机制。同时，该研究建立了全球首个鲜食玉米代谢组数据库EMMDB，并利用该数据库实现了鲜食玉米营养和风味性状的精准改良。研究论文发表在植物学顶级期刊《Molecular Plant》上。

鲜食玉米作为营养丰富并具有独特食味品质的玉米类型，包括甜玉米、糯玉米以及甜加糯玉米等。我国已成为全球最大的鲜食玉米生产国和消费国，总面积达到2600多万亩约占全球的一半。北京市农林科学院等科研单位将甜、糯与多种优异品质性状（高花青素、高叶酸、高赖氨酸等）相聚合，创制优新种质，培育出丰富多样的优质鲜食玉米新品种。

作物驯化和遗传改良的相关研究主要集中在早期驯化和农艺性状方面，而对于如何塑造鲜食玉米营养风味物质的代谢过程尚不清晰。研究团队利用从全球收集和自主创制的452份鲜食玉米自交系和农家种种质材料，涵盖了糯玉米、甜玉米和普通玉米等。从鲜食玉米籽粒中鉴定到超过3000种非冗余代谢物，利用本研究提出的代谢物注释改良方法对其中的802种代谢物进行了注释。数量远超已公布的其他研究，成功构建了全球首个全景鲜食玉米代谢组图谱。

研究通过分析普通玉米和甜玉米、糯玉米的代谢分化特征，发现尽管甜、糯玉米来源于全球不同的地理位置（北美和中国等）和不同的驯化时间点，但趋同分化是甜、糯玉米代谢分化的主要模式，例如黄酮含量趋同降低和脂质含量趋同增加，这源于人类对鲜食玉米风味、口味和营养的追求。共发现9个代谢物类别经历了趋同代谢变化，3种不同的趋同分化模式。农家种分化阶段趋同代谢物主要为次生代谢物，遗传改良阶段趋同代谢物主要为初生代谢物。利用单碱基分辨率变异图谱的mGWAS热点分析，在代谢热点中识别出所有代谢物类别中的节点基因。进一步结合选择消除分析，在黄酮和脂类代谢物中分别鉴定到17个和15个关键分化节点基因。令人意外的是，分化节点基因几乎都受到了多样化选择（非平行选择），即甜、糯各自的趋同代谢分化作用基因几乎完全不同，表明多样化选择是驱动鲜食玉米代谢物趋同分化的主要遗传机制。通过进一步的遗传学和分子生物学研究，揭示了ZmGPAT11基因在脂类代谢通路中趋同代谢分化作用和多样化选择的分子机制。此外，g该研究还建立了全球首个鲜食玉米代谢组数据库EMMDB(www.maizemdb.site/home/）。利用该数据库中的全基因组预测工具，成功实现鲜食玉米营养和风味物质的精准改良，预测出黄酮类物质、卵磷脂、脑磷脂和维生素（A、B6和叶酸）含量显著改善的优良自交系6644_2。该研究揭示了鲜食玉米代谢分化的遗传机制，为鲜食玉米风味和营养性状的代谢物精准设计改良提供了重要数据和理论支撑。

北京市农林科学院玉米研究所李春辉副研究员为该论文的第一作者，李志勇助理研究员、卢柏山研究员、史亚兴研究员、肖森林博士为共同第一作者，赵久然研究员、宋伟研究员和王荣焕研究员为共同通讯作者。感谢中国农业科学院作物科学研究所李慧慧研究员和崔迪副研究员、华南农业大学王海洋研究员、江苏省农业科学院吕远大副研究员对该研究的支持和指导。该研究得到北京市农林科学院基因组学育种协同创新中心建设项目、北京学者项目、北京市农林科学院优秀青年基金以及北京市农林科学院青年基金的资助。