利用高通量多光學(xué)表型組技術(shù)術(shù)揭示玉米抗旱遺傳機制

2021年6月24日，國際學(xué)術(shù)期刊Genome Biology 在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室和湖北省洪山實驗室代明球教授與楊萬能教授為通訊作者的題為“Using high-throughput multiple optical phenotyping to decipher the genetic architecture of maize drought tolerance”的研究論文。

該研究利用高通量多光學(xué)表型組技術(shù)，對368份玉米自然群體材料在多個生長時期、正常澆水和干旱脅迫下的玉米表型進行連續(xù)無損檢測，獲得了豐富的與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)的image-based traits （i-traits）。

結(jié)合GWAS分析鑒定到大量與干旱脅迫相關(guān)的候選基因和QTLs，構(gòu)建了基因與i-traits關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，揭示了玉米抗旱的遺傳基礎(chǔ)以及馴化和改良中丟失的潛在抗旱位點，為玉米抗旱遺傳改良和抗旱育種提供了新的基因資源和豐富的遺傳“寶庫”。

在世界范圍內(nèi)，玉米是重要的糧食作物，也是重要的飼料和工業(yè)原料。近年來，隨著氣候的變化無常，人口的不斷增長，水資源逐漸緊缺，干旱也變得日益頻繁。干旱是造成玉米減產(chǎn)的主要自然災(zāi)害，嚴重的干旱甚至?xí)?dǎo)致玉米顆粒無收，造成巨大損失。因此，如何有效的提高玉米的耐旱性，培育抗旱新品種是保障糧食安全的迫切需求。

玉米的抗旱研究離不開表型的觀察和檢測，但是由于“表型瓶頸”，即傳統(tǒng)的干旱表型性狀獲取手段因為存在測量通量低、耗時費力、精度不高、經(jīng)常破壞性測量等不足，目前已經(jīng)不能滿足蓬勃發(fā)展的植物抗逆基因組學(xué)研究的需求，嚴重阻礙了玉米抗旱資源的挖掘。

近年來，智能化、高通量、無損測量為主要特征的表型組學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得多時空尺度表型檢測成為可能，目前，該技術(shù)可實現(xiàn)對作物在室內(nèi)和室外及全生育期表型的系統(tǒng)檢測。

本研究利用368份玉米自然群體材料，分干旱和對照組，對玉米進行多光譜檢測和圖像的采集，獲得多個時間點的光譜圖像（10個時間點的RGB圖像，4個時間點的高光譜圖像，3個時間點的CT圖像）；結(jié)合自主研發(fā)的圖像處理程序，分析并提取i-traits，最終獲得上萬個與干旱脅迫相關(guān)的i-traits。

通過篩選獲得干旱脅迫相關(guān)的i-traits之后，利用全基因組關(guān)聯(lián)（GWAS）分析鑒定到兩千多個與干旱脅迫相關(guān)的候選基因；結(jié)合候選基因通路富集分析結(jié)果構(gòu)建了基因和i-traits的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

為了驗證候選基因在調(diào)控光譜表型和抗旱性上的生物功能，進一步從候選基因中篩選、確定了2個未知抗旱功能的基因ZmcPGM2（參與糖代謝）和ZmFAB1A（參與磷酸肌醇代謝）。基于突變體的研究表明，ZmcPGM2（參與糖代謝）和ZmFAB1A能夠調(diào)控相應(yīng)光譜表型并負調(diào)控玉米抗旱。

進一步對篩選獲得的大量與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)的候選基因和i-traits進行分析發(fā)現(xiàn)，這些候選基因和i-traits能夠很好的預(yù)測玉米的干旱表型，預(yù)示著它們在玉米的抗旱育種改良中可能具有重要的應(yīng)用價值，可作為潛在的生物標記。

綜上所述，本研究通過高通量多光學(xué)表型收集和GWAS分析，鑒定到大量與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)i-traits以及調(diào)控這些i-traits和抗旱性的候選基因，它們在玉米的抗旱育種中可能具有重要的應(yīng)用價值。本研究拓寬了抗旱相關(guān)研究和基因挖掘的思路，為玉米抗旱遺傳改良和抗旱育種提供了新的基因資源和豐富的遺傳“寶庫”。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室的博士生伍璽和信息學(xué)院馮慧老師為論文的共同第一作者，代明球教授和楊萬能教授為共同通訊作者。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金國際（地區(qū)）合作研究項目（32061143031）和面上項目（31770397、31800305）、國家重點研究發(fā)展計劃（2016YFD0100101-18）、北京市杰出青年科學(xué)家計劃（BJWZYJH01201910019026）和中央高?；A(chǔ)研究基金（2662020SKPY009，2662017PY058、2662017QD044、2662020ZKPY017、2662017QD044）的資助。

編輯：jq