華中農(nóng)業(yè)大學(xué)揭示代謝介導(dǎo)的玉米抗旱遺傳機(jī)制

　　近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實驗室暨湖北省洪山實驗室代明球教授課題組和陳偉教授課題組，聯(lián)合以色列本·古德里安大學(xué)Yariv Brotman教授團(tuán)隊，以數(shù)百份玉米自然群體非靶向代謝組學(xué)數(shù)據(jù)為核心，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)，變異組學(xué)數(shù)據(jù)，通過關(guān)聯(lián)分析與網(wǎng)絡(luò)分析研究手段，揭示了代謝介導(dǎo)的玉米抗旱遺傳機(jī)制。發(fā)掘并鑒定到一批參與玉米抗旱過程的候選基因，深入解析了部分候選基因的抗旱功能與并揭示了其起作用的分子機(jī)理，拓展了人們對玉米抗旱機(jī)制的理解，為玉米抗旱育種提供了豐富的遺傳與變異資源。

 

　　該研究以“Genomic basis underlying the metabolome-mediated drought adaptation of maize”為題在國際學(xué)術(shù)期刊 Genome Biology上發(fā)表。

　　研究者利用385份具有廣泛遺傳變異的玉米自然群體，使用UPLC-ESI-MS/MS技術(shù)獲取了正常澆水和干旱條件下群體的代謝譜數(shù)據(jù)，共發(fā)掘到群體內(nèi)3890個高置信度的代謝物，其中1035個是干旱響應(yīng)的特異代謝物，且這些代謝物在響應(yīng)干旱脅迫時，以上調(diào)表達(dá)為主。利用這些代謝物對玉米抗旱指標(biāo)進(jìn)行了預(yù)測，結(jié)果顯示，相較于所有3890個代謝物和隨機(jī)選取的等量代謝物而言，這1035個響應(yīng)干旱的特異代謝物具有更好的表型預(yù)測能力（圖1），說明這些干旱響應(yīng)的特異代謝物包含著更豐富的玉米抗旱信息。

　　圖1 干旱響應(yīng)特異代謝物具有更優(yōu)秀的抗旱性預(yù)測能力。a 鑒定到的已知結(jié)構(gòu)的代謝物分類；b 正常澆水和干旱條件下，玉米群體基于代謝物的PC分析；c 上調(diào)和下調(diào)表達(dá)的代謝物；d 已知結(jié)構(gòu)的干旱響應(yīng)代謝物；e 代謝物對抗旱表型指數(shù)的預(yù)測

 

　　進(jìn)一步，研究者們通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，相關(guān)性分析，網(wǎng)絡(luò)分析和eQTL分析，整合構(gòu)建了干旱與正常澆水環(huán)境下的基因-代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并明確了其中的“節(jié)點(diǎn)”基因 （Hub gene）。本研究除了鑒定到一批已知調(diào)控干旱應(yīng)答的基因外，還鑒定到大量未被報道的抗旱候選基因；另外，相較于正常澆水環(huán)境，干旱條件下基因-代謝網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)更多的節(jié)點(diǎn)基因，且這些基因具有更強(qiáng)的可解釋性（圖2）。有趣的是，該研究鑒定到的抗旱基因在玉米馴化和改良過程中呈現(xiàn)出了被“忽視”的現(xiàn)象，即：在現(xiàn)代玉米育種過程中，人們并未對抗旱性進(jìn)行充分的選擇，致使全基因組范圍內(nèi)，抗旱變異位點(diǎn)在現(xiàn)代玉米中出現(xiàn)“丟失”的現(xiàn)象。

 

 

　　該研究選取了兩個干旱特異的Hub基因ZmBx12（編碼一個苯并噁唑嗪酮合酶）和ZmGLK44（編碼Golden-like 2類轉(zhuǎn)錄因子）進(jìn)行后續(xù)分析驗證。通過遺傳，生化與分子生物學(xué)手段，確定了ZmBx12基因上的CACTA轉(zhuǎn)座子插入導(dǎo)致了丁布含量升高，進(jìn)而降低了玉米的抗旱性。此外，研究者們還發(fā)現(xiàn)一個未被報道的轉(zhuǎn)錄因子編碼基因ZmGLK44，發(fā)現(xiàn)該基因在代謝調(diào)節(jié)和干旱應(yīng)答中發(fā)揮著重要作用。該基因可以通過直接結(jié)合并激活色氨酸合酶TSB2，調(diào)控玉米的色氨酸合成途徑，維持干旱下色氨酸更高水平的合成。實驗顯示，體外噴施色氨酸能夠增強(qiáng)不同遺傳背景玉米的抗旱性；干旱誘導(dǎo)表達(dá)ZmGLK44的轉(zhuǎn)基因材料在干旱下表現(xiàn)出了更高的存活率與水分利用效率，而在正常環(huán)境下，其與陰性材料相比無顯著差異。這些研究表明色氨酸有作為玉米抗旱制劑的商業(yè)化潛力，基因ZmGLK44具有良好的抗旱育種應(yīng)用潛力（圖3）。

 

 

　　總之，該研究基于還原論的思想，將作物復(fù)雜的抗旱性狀分解為相對簡單的代謝性狀?；谶@些代謝性狀鑒定到大量潛在的抗旱位點(diǎn)，深入揭示了玉米抗旱遺傳機(jī)制，為玉米抗旱育種提供了新的基因資源和豐富的遺傳“寶庫”。該研究證明了代謝組學(xué)是解析植物復(fù)雜性狀的有力工具。

 

　　我校作物遺傳改良國家重點(diǎn)實驗室的張斐和吳錦峰博士生為該論文的共同第一作者。代明球教授，陳偉教授和以色列本·古德里安大學(xué)的Yariv Brotman 教授為該論文的共同通訊作者。本研究得到了武漢市應(yīng)用基礎(chǔ)前沿項目、北京市杰出科學(xué)家項目和基金委國際（地區(qū)）合作與交流項目的主要資助。

 

　　據(jù)了解，我校代明球課題組多年來圍繞玉米抗旱基因克隆、抗旱遺傳機(jī)制解析和優(yōu)良抗旱等位變異挖掘等方向進(jìn)行深入研究，已取得多項成果，在包括Genome Biology, PNAS, Molecular plant, Plant Journal等SCI雜志發(fā)表多篇論文。今年6月份，代明球課題組主導(dǎo)合作在Genome Biology發(fā)文，報道了基于高通量表型組技術(shù)，結(jié)合變異組、表達(dá)組和分子生化手段揭示玉米抗旱遺傳與分子機(jī)制的研究（Wu et al., 2021）。本論文是該課題組在Genome Biology雜志的再次研究報道?；诙嘟M學(xué)和分子生化手段聯(lián)合分析，代明球課題組系統(tǒng)地揭示了玉米大規(guī)模群體在干旱脅迫條件下的外在（如株型、葉色、生物重、存活率等）和內(nèi)在（如高光譜數(shù)字表型、核磁共振內(nèi)部結(jié)構(gòu)、代謝物等）表型變化，并基于這些豐富的表型變異比較全面地闡明了玉米的抗旱遺傳機(jī)制，揭示了包括ZmcPGM2, ZmFAB1A, ZmBx12和ZmGLK44在內(nèi)的一批新的、重要的候選基因的抗旱功能、作用機(jī)理，為促進(jìn)我國玉米抗旱育種進(jìn)程打下了良好的基礎(chǔ)。

 

　　原文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02481-1

 

　　英文摘要：

 

　　Background

 

　　Drought is a major environmental disaster that causes crop yield loss worldwide. metabolites are involved in various environmental stress responses of plants. However, the genetic control of metabolomes underlying crop environmental stress adaptation remains elusive.

 

　　Results

 

　　Here, we perform non-targeted metabolic profiling of leaves for 385 maize natural inbred lines grown under well-watered as well as drought-stressed conditions. A total of 3890 metabolites are identified and 1035 of these are differentially produced between well-watered and drought-stressed conditions, representing effective indicators of maize drought response and tolerance. Genetic dissections reveal the associations between these metabolites and thousands of single-nucleotide polymorphisms （SNPs）， which represented 3415 metabolite quantitative trait loci （mQTLs） and 2589 candidate genes. 78.6% of mQTLs （2684/3415） are novel drought-responsive QTLs. The regulatory variants that control the expression of the candidate genes are revealed by expression QTL （eQTL） analysis of the transcriptomes of leaves from 197 maize natural inbred lines. Integrated metabolic and transcriptomic assays identify dozens of environment-specific hub genes and their gene-metabolite regulatory networks. Comprehensive genetic and molecular studies reveal the roles and mechanisms of two hub genes, Bx12 and ZmGLK44, in regulating maize metabolite biosynthesis and drought tolerance.

 

　　Conclusion

 

　　Our studies reveal the first population-level metabolomes in crop drought response and uncover the natural variations and genetic control of these metabolomes underlying crop drought adaptation, demonstrating that multi-omics is a powerful strategy to dissect the genetic mechanisms of crop complex traits.