土壤鹽漬化是一個(gè)嚴(yán)重的全球化環(huán)境問(wèn)題，全球鹽漬化土地面積有8億多公頃，占總陸地面積6%以上。土壤中的鹽分過(guò)高對(duì)玉米等植物的生長(zhǎng)發(fā)育有許多負(fù)面影響，如抑制種子萌發(fā)、降低根系生長(zhǎng)、株高和結(jié)實(shí)水平，最終降低玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。即使較低的土壤鹽濃度下，對(duì)于鹽敏感玉米品種也易發(fā)生因鹽脅迫的生長(zhǎng)發(fā)育障礙。因此，定位和克隆玉米耐鹽基因，解析玉米耐鹽性差異的遺傳分子機(jī)制，將為耐鹽玉米育種提供重要依據(jù)。
近期，北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心趙久然團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Plant Biotechnology Journal（IF= 8.154，Q1）上發(fā)表題為“Molecular dissection of maize seedling salt tolerance using a genome-wide association analysis method”的研究論文。該研究利用全基因組關(guān)聯(lián)分析、EMS突變體和CRISPR/Cas9等技術(shù)在玉米全基因組水平鑒定到與玉米早期耐鹽性相關(guān)的重要遺傳位點(diǎn)和基因。
該研究利用348份遺傳變異廣泛的自然群體對(duì)正常和鹽脅迫條件下萌發(fā)10天的幼苗長(zhǎng)度、鮮重、干重和耐鹽指數(shù)等27個(gè)性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析 （圖1）。并基于耐鹽QTL區(qū)間內(nèi)基因功能注釋及顯著關(guān)聯(lián)SNP位點(diǎn)的LD衰減距離，獲得13個(gè)候選基因。進(jìn)一步通過(guò)轉(zhuǎn)錄組差異表達(dá)分析（RNA-seq）發(fā)現(xiàn)12個(gè)候選基因?qū)}脅迫有響應(yīng)，其在鹽脅迫后多個(gè)檢測(cè)的時(shí)間點(diǎn)上調(diào)表達(dá)。
圖1 3個(gè)耐鹽玉米自交系和3個(gè)顯著鹽敏感玉米自交系的生長(zhǎng)狀況以及對(duì)照和鹽脅迫條件下348份玉米自交系所測(cè)定性狀的分布情況
利用經(jīng)優(yōu)化并適用玉米的CRISPR/Cas9技術(shù)，配套tRNA自剪切方法，進(jìn)行了玉米基因組的多靶點(diǎn)同時(shí)編輯，對(duì)候選基因進(jìn)行了功能驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)對(duì)耐鹽候選基因ZmCLCg基因的基因組編輯效率可高達(dá)70%（圖2）。ZmCLCg基因CRISPR/Cas9編輯突變體和ZmPMP3基因EMS突變體在鹽脅迫條件下的根長(zhǎng)、根鮮重、地上部長(zhǎng)度和地上部鮮重均顯著性低于其野生型玉米植株，證實(shí)了候選基因ZmCLCg和ZmPMP3與玉米耐鹽性相關(guān)。氯離子含量分析和進(jìn)一步研究表明，ZmCLCg編碼一個(gè)氯離子通道蛋白，其耐鹽調(diào)控與氯離子的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)；候選基因ZmPMP3編碼一個(gè)質(zhì)膜相關(guān)蛋白。
該研究結(jié)果有助于揭示玉米耐鹽性差異的分子機(jī)制，并為耐鹽玉米品種的選育提供新的基因靶標(biāo)。
圖2 在對(duì)照和鹽脅迫條件下ZmCLCg-CRISPR/Cas9突變體及其野生型（B104）的生長(zhǎng)參數(shù)和氯離子含量
北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心助理研究員駱美潔博士為該論文第一作者，趙久然研究員、趙衍鑫副研究員為共同通訊作者。宋偉研究員、楊進(jìn)孝研究員和齊魯師范學(xué)院路小鐸教授參與了該研究。該研究得到了北京市自然科學(xué)基金（620041）、北京市農(nóng)林科學(xué)院青年研究基金（QNJJ202028）、北京市學(xué)者計(jì)劃（BSP041）等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.13607
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