美国人最爱的零食“爆米花”的基因秘密

　　最简单的爆米花其实并不复杂。大多数超市品种提供两种果仁颜色，黄色或白色，两种果仁形状，尖或珍珠。当被打开时，薄片通常会膨胀成两种形状之一:蘑菇或蝴蝶。但爆米花远比我们看到的要复杂。新的研究揭示了爆米花的遗传密码中潜藏着大量未开发的多样性。

　　

最简单的爆米花其实并不复杂。大多数超市品种提供两种果仁颜色，黄色或白色，两种果仁形状，尖或珍珠。当被打开时，薄片通常会膨胀成两种形状之一:蘑菇或蝴蝶。但爆米花远比我们看到的要复杂。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一项新研究揭示了爆米花基因密码中潜藏着大量尚未开发的多样性。

作物科学研究人员分析了320个公开的爆米花品系，发现基因组中有超过30.8万个位点存在变异。这种多样性可能会也可能不会为消费者带来更多的爆米花品种，但其中一些差异可能对提高作物的农艺性能很重要。

“如果爆米花公司想要引进材料使其种质资源多样化，这可能会有所帮助，这对抗病和抗除草剂等事情非常重要。还需要做更多的工作来确定感兴趣的特征，但这个数据集开辟了这些可能性，”研究报告的合著者Tony Studer说，他是伊利诺伊州农业、消费者和环境科学学院作物科学系的副教授和爆米花育种员。

Studer的研究小组在一个被称为基因测序的过程中记录了基因差异，这将基因测序工作的重点缩小到基因组中信息量最大的部分。玉米品系之间的差异或多态性发生在构成DNA的单核苷酸水平上。

爆米花的人群

在确定了数十万个差异之后，研究小组可以根据单核苷酸多态性(snp)的模式对玉米品系进行分组，从而使研究人员能够推断出亲缘关系。根据分析，北美的爆米花分为两类:一类主要由黄色珍珠型组成，第二类是白色尖型和拉丁美洲型。

“根据基因相似性对爆米花进行分类，可以让我们看到每一组爆米花的多样性，并更好地预测系间杂交的表现。”此外，如果发现一个基因可以提高性能，知道它的群体成员资格将有助于育种者将其纳入他们的计划，我希望爆米花公司能利用这一点，在消费者和种植者方面改进他们的产品，”作物科学博士生、该研究的第一作者Madsen Sullivan说。

结果表明，黄珍珠爆米花具有较高的近交水平。这意味着该群体之间的遗传多样性较低，亲缘关系较大。虽然这导致了更好的爆裂特性，但来自另一组的材料可能包含有用的基因版本，但这些基因在黄珍珠爆米花中并不存在。

该分析也为揭示爆米花在北美和世界范围内的长期运动历史提供了一个起点。Studer说，第一批食用玉米的人可能吃的是炸玉米，而不是涂了黄油的玉米棒子。他正在一项后续研究中追踪爆米花的早期起源。

揭开爆米花耐除草剂的神秘面纱

有了爆米花的遗传密码，研究人员渴望解决一个与除草剂应用标签有关的长期谜团。自20世纪90年代初以来，尼科隆一直在玉米地里杀死杂草，但它只被标记为黄色核的杂交品种;农民被特别警告不要在白粒爆米花上使用它。

“这对我来说是一个危险信号，因为果仁的颜色应该与除草剂的敏感性无关，”合著者、美国农业部农业部生态学家、伊利诺斯州作物科学副教授Marty Williams说。“内核颜色是由基因组中完全不同部分的基因控制的。”

Williams与Studer的团队合作，测试了来自两个种群的294种爆米花基因型，分别是黄珍珠组和白尖和拉丁美洲组;顺便说一句，尽管他们的名字是黄色或白色，但这两个群体都不是纯黄色或纯白色的。研究人员在试验组以及敏感和耐受的爆米花和甜玉米杂交种上应用了尼科磺隆作为对照。

虽然尼磺隆确实伤害了更多的白色玉米粒，但这种效果与玉米粒颜色本身无关。相反，尼科磺隆敏感性与遗传遗传和种群结构相关。尖珍珠和拉丁美洲珍珠比黄珍珠更敏感。在凹痕玉米中，一种名为nsf1的基因可以解毒尼科磺隆。研究人员立即在爆米花中寻找相同的基因，假设它在耐受基因型中是活跃的。

Studer说:“我们原以为nsf1会在爆米花中出现，但我们却发现了一组完全不同的基因，似乎与尼科磺隆耐受性有关。这为爆米花耐除草剂的另一种机制开辟了可能性，我们正计划对此进行跟进。”

下一个步骤

威廉姆斯建议爆米花育种者利用这项研究来提高他们现有和新品种对尼科磺隆或其他除草剂的耐受性。然后，除草剂标签最终可以更新，以反映整个作物的耐受性，而不考虑籽粒的颜色。

基因组研究的结果能改善爆米花的农艺性状吗?Studer说，还需要做更多的工作来筛选数据集，以获得理想的性状，但最终爆米花公司可以开发和销售精英爆米花生产线。

Madsen Sullivan, Martin M. Williams, Anthony J. Studer. Genetic diversity of North American popcorn germplasm and the effect of population structure on nicosulfuron response. Crop Science, 2023