Nature Genetics | 中国农业大学秦峰课题组解析玉米抗旱性的遗传基础

玉米是我国第一大农作物。随着全球气候的变化，干旱等自然灾害频发。干旱是威胁玉米高产、稳产的主要自然因素。鉴定玉米抗旱种质资源、解析其遗传基础，对玉米抗旱性的遗传改良和分子设计育种，具有重要意义。
 

近日，中国农业大学的秦峰教授课题组在Nature Genetics在线发表了题为“Genome assembly and genetic dissection of a prominent drought-resistant maize germplasm” 的研究论文，解析了玉米抗旱种质资源CIMBL55优良抗旱性的遗传基础。

该研究利用三代PacBio长读长测序技术、HiC技术和光学图谱完成了玉米抗旱优异种质资源CIMBL55基因组的高质量组装和注释工作。研究发现，课题组前期通过全基因组关联分析（GWAS）和干旱应答基因表达的数量性状位点解析（eQTL）确定的108个潜在的抗旱基因中，CIMBL55基因组中至少携带了65个抗旱基因的优异等位变异，推测这可能是构成其优良抗旱性的遗传基础。

图1 CIMBL55抗旱表型及基因组组装
 

除了该课题组前期鉴定的多个抗旱基因以外，本研究还发现CIMBL55基因组中，含有ZmABF4、ZmNAC075和ZmRtn16等多个抗旱基因的优异等位变异。基因组结构变异结合差异甲基化组学分析发现，在干旱敏感材料中ZmNAC075上游存在两个插入序列，具有较高的甲基化状态，可能抑制该基因的表达，进而降低抗旱性。另外，通过对eQTL的结构变异解析，发现CIMBL55中ZmRtn16基因3’-UTR区中，缺少一个长度为28-bp的序列，可能导致该基因mRNA的稳定性增强。ZmRtn16编码一种网状样蛋白（reticulon-like protein），能与液泡膜H+-ATPase复合体A和E3亚基相互作用，并有利于其液泡膜定位。该基因的缺失突变体中，液泡膜H+-ATPase活性降低，气孔响应干旱胁迫的应答减弱。在转基因材料中增强ZmRtn16的功能可显著提高玉米苗期和全生育期的抗旱性。在田间干旱胁迫下，ZmRtn16转基因材料的产量显著高于对照材料，而不影响其正常条件下的产量。这一发现进一步提示了液泡质子泵在玉米抗旱性中的作用。

图2 ZmRtn16正调控玉米抗旱性
 

总之，CIMBL55基因组的组装为解析玉米抗旱性的遗传变异、鉴定优异抗旱基因资源、克隆关键抗旱基因，提供了高质量的基因组信息，也将为玉米抗旱性的遗传改良和分子设计育种提供重要的靶点，对我国和世界的粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。
 

中国农业大学秦峰课题组博士后田甜和博士生王书会为论文共同第一作者，秦峰教授为该论文的通讯作者。国家玉米改良中心杨小红教授和生物学院蒋才富教授参加了相关工作。该研究得到了北京高校卓越青年科学家计划、国家十四五重点研发计划、国家自然科学基金，以及博士后科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41588-023-01297-y