人民政協(xié)網(wǎng)北京12月16日電（記者 高志民）近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所玉米功能基因組團(tuán)隊(duì)與作物代謝調(diào)控與營養(yǎng)強(qiáng)化團(tuán)隊(duì)合作，首次對(duì)玉米自交系全生育期進(jìn)行全自動(dòng)高通量無損監(jiān)測(cè)，深入解析了玉米株高形成的動(dòng)態(tài)遺傳基礎(chǔ)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)構(gòu)建了株高的智能預(yù)測(cè)模型。該研究為玉米表型精準(zhǔn)鑒定、重要基因克隆和株型改良提供了有效策略和新的基因資源。

圖注：全自動(dòng)高通量表型組平臺(tái)監(jiān)測(cè)玉米全生育期的株型

玉米是我國種植面積最大、產(chǎn)量最高的糧食作物，對(duì)保障國家糧食安全至關(guān)重要。優(yōu)良的耐密株型是實(shí)現(xiàn)豐收高產(chǎn)的重要前提。玉米株型、產(chǎn)量等復(fù)雜性狀的研究離不開表型精準(zhǔn)鑒定，但傳統(tǒng)的表型性狀分析存在測(cè)量通量低、耗時(shí)費(fèi)力、精度不高、有破壞性等缺點(diǎn)，難以做到全天候、全生育期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。“表型鑒定瓶頸”嚴(yán)重阻礙了玉米基因資源的挖掘和重大品種的培育，因此亟待開發(fā)作物全生育期高通量表型組精準(zhǔn)鑒定技術(shù)，推進(jìn)耐密理想株型重大基因挖掘和新品種培育。研究人員利用228份具有廣泛遺傳變異的玉米自然群體，在高通量3D表型組平臺(tái)對(duì)玉米全生育期進(jìn)行全天候動(dòng)態(tài)檢測(cè)，獲得了約24.4萬張表型圖像。在此基礎(chǔ)上，研究人員還研發(fā)了多光學(xué)圖像批處理程序，分析并提取了77個(gè)覆蓋玉米全生育期株型、生物量、生長速率等關(guān)鍵圖像性狀。結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定了4945個(gè)顯著的單核苷酸多態(tài)性（SNPs）和1974個(gè)候選基因，構(gòu)建了基因和圖像性狀的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并通過突變體分析驗(yàn)證了核心基因ZmVATE在調(diào)控玉米節(jié)間發(fā)育和株高上的生物功能。

研究人員進(jìn)一步利用早期性狀構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測(cè)玉米最終的株高，發(fā)現(xiàn)僅需5個(gè)圖像性狀就可在早期發(fā)育階段對(duì)最終株高進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)示著這些性狀可作為潛在的株高發(fā)育相關(guān)生物標(biāo)記，對(duì)玉米株型改良和遺傳育種具有重要的應(yīng)用價(jià)值。該研究深入解析了玉米株高形成的動(dòng)態(tài)遺傳基礎(chǔ)和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，拓展了人們對(duì)株型發(fā)育機(jī)制的理解。

該研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院重大科研任務(wù)、科技創(chuàng)新工程等項(xiàng)目資助。相關(guān)研究成果發(fā)表在《分子植物（MolecularPlant）》上。