Cell | 中国农业大学研究团队解析3367份玉米基因组，揭示稀有变异对农艺性状的重大贡献

玉米是全球种植最广、产量最高的粮食作物之一，其农艺性状的遗传解析，是开展分子育种、提升产量与抗性的核心基础。过去二十年间，全基因组关联分析（GWAS）挖掘了大量调控玉米关键性状的功能位点，但这些研究大多聚焦于群体中频率较高的 “常见遗传变异”。而在玉米基因组中数量更为庞大的稀有变异，对农艺性状的整体贡献、效应大小与进化规律，长期以来都是未解之谜。

玉米起源于热带墨西哥的野生种大刍草，在数千年的驯化与向温带扩张的过程中，经历了极强的自然选择与人工选育，开花期、株高、穗部产量等关键性状都发生了剧烈的定向改变。 以往的认知里，复杂农艺性状大多由大量微效的常见变异共同调控。但作物基因组中绝大多数的遗传变异都是稀有变异（群体中出现频率低于 5%），受限于样本规模与测序深度，这些变异始终缺乏全基因组层面的系统解析。它们在玉米性状形成、适应性进化中究竟扮演怎样的角色？又能为育种带来怎样的新资源？这些问题一直没有明确的答案。

10月27日，中国农业大学赖锦盛教授、宋伟彬教授团队在Cell发表了题为Deep sequencing of 3,367 maize genomes uncovers substantial contribution of rare variants to agronomic traits的研究论文。该研究对全球23个国家的3367份优良玉米自交系进行了高深度全基因组重测序，系统绘制了玉米稀有变异的全景图谱，证实了稀有变异是农艺性状遗传架构的核心组成部分，并且在适应性选择的驱动下，深刻塑造了玉米的性状演化。

大规模深度测序，解锁玉米海量稀有变异资源

为系统捕捉以往研究难以覆盖的稀有变异，研究团队构建了目前作物领域规模最大的高深度玉米基因组群体：3367份自交系覆盖了全球几乎所有主要玉米种植区，包含 12个温带亚群与7个热带亚群，测序平均深度达35.7×，数据总量达247.4Tb。通过严谨的变异鉴定与质控，研究共检测到7530 万个遗传变异，其中79.2%为稀有变异。这意味着，玉米基因组中近八成的遗传多样性，都藏在以往小样本研究难以捕捉的低频位点里。变异发现曲线显示，即便样本量达到 3000 余份，稀有变异的发现仍未进入平台期，也侧面印证了大样本深度测序对挖掘全基因组遗传多样性的必要性。这些稀有变异有着清晰的功能规律。对蛋白功能影响越强的变异，稀有程度越高，比如导致翻译提前终止的无义变异中，81.2% 都是稀有变异，符合自然界 “纯化选择清除有害变异” 的基本规律。

该群体天然携带近 2.9 万个基因的功能缺失突变（即 “自然敲除” 基因），占玉米全部蛋白编码基因的八成以上，其中超过半数仅由稀有变异造成。这批天然突变体库相当于一座珍贵的育种资源库，研究团队已通过耐冷基因ZmRR1、穗长调控基因ZmACO2等案例，验证了这些稀有功能缺失变异的真实表型效应。

八成性状关联信号来自稀有变异，效应是常见变异的 2.4 倍

针对开花期、株高、穗部性状等 10 个核心农艺性状，研究团队开展了全基因组关联分析。经过连锁不平衡校正排除假信号后，共定位到 411 个独立的性状关联位点，其中359 个属于全局稀有变异，占比高达 87.3%，这些位点的平均等位基因频率仅为 1.38%。稀有性状关联变异的平均效应是常见变异的 2.4 倍，在部分性状中差异可达 3 倍以上。这些在群体中少见的遗传变异，往往对性状有着更强的调控作用，是不可忽视的育种靶点。研究团队还以调控开花期的ZmAGO5c基因为例，通过 CRISPR-Cas9 基因敲除实验直接验证：携带该基因稀有变异的材料开花期显著延迟，从功能层面证实了稀有变异的真实表型效应。

强选择重塑遗传架构：性状等位基因从 “常见” 变 “稀有”

研究发现，定向选择是塑造稀有变异主导型遗传结构的核心动力。玉米从热带向温带地区适应的过程中，早花、适宜株高等性状受到了极强的选择压。分析发现，大量与热带性状相关的等位基因，在热带玉米中还是常见变异，到了温带群体中就被选择压逐步压低频率，变成了稀有变异。这种从 “常见” 到 “稀有” 的定向频率偏移，在所有受选择性状中普遍存在，且显著偏离随机漂移的水平。

通过遗传力拆分分析发现，受选择越强的性状（如开花期、雄穗分枝数），其遗传力中稀有变异的贡献占比越高，甚至超过常见变异；而受选择较弱的性状，则以常见变异贡献为主。

这一发现打破了 “复杂性状一定以常见变异为主” 的固有认知：选择强度越高，就越容易把有利等位基因推到高频、不利等位基因压到低频，最终让性状的遗传架构向稀有变异倾斜。这也是玉米与人类复杂性状遗传结构差异的核心原因。人类群体选择压力较弱，复杂性状多以常见变异为主；而作物经历了极强的驯化与育种选择，稀有变异的贡献被大幅放大。

方法与资源双升级，赋能未来玉米研究

除了核心科学发现，这项研究还为作物稀有变异研究提供了两套可广泛复用的工具。

一是基因水平关联分析策略。传统单变异 GWAS 对稀有变异检测能力弱，研究团队将同一基因内的多个稀有变异聚合分析，额外找到了 94 个单变异 GWAS 未发现的基因-性状关联。比如调控雄穗分枝数的ZmThx基因，正是通过聚合其编码区 26 个稀有变异才被成功定位，后续的基因敲除实验也验证了该基因的功能，证明了这套方法的高效性。

二是高精度基因型填补参考面板。3367 份高质量基因组构成的参考面板，能对芯片、GBS 等低密度标记数据进行精准填补，大幅提升稀有变异的检测能力。团队用美国农业部的公开玉米群体验证发现，填补后不仅已知位点的定位精度显著提升，还能发现原本无法检测到的稀有性状关联位点，未来可广泛应用于各类玉米遗传群体的研究与育种实践。

综上所述，该研究是玉米功能基因组领域的一项重要成果，既回答了 “稀有变异对作物农艺性状有多重要” 这一核心科学问题，也为玉米育种提供了全新的思路与资源。 在理论层面，研究揭示了选择强度对复杂性状遗传架构的塑造规律，拓展了我们对作物复杂性状遗传基础的认知；在应用层面，海量的稀有变异与天然敲除基因资源，为玉米分子设计育种挖掘了全新的靶点库，有望在产量、抗性等性状的精准改良中发挥重要作用。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(26)01209-2