华中农业大学揭示代谢介导的玉米抗旱遗传机制

　　近日，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室暨湖北省洪山实验室代明球教授课题组和陈伟教授课题组，联合以色列本·古德里安大学Yariv Brotman教授团队，以数百份玉米自然群体非靶向代谢组学数据为核心，结合转录组学，变异组学数据，通过关联分析与网络分析研究手段，揭示了代谢介导的玉米抗旱遗传机制。发掘并鉴定到一批参与玉米抗旱过程的候选基因，深入解析了部分候选基因的抗旱功能与并揭示了其起作用的分子机理，拓展了人们对玉米抗旱机制的理解，为玉米抗旱育种提供了丰富的遗传与变异资源。

 

　　该研究以“Genomic basis underlying the metabolome-mediated drought adaptation of maize”为题在国际学术期刊 Genome Biology上发表。

　　研究者利用385份具有广泛遗传变异的玉米自然群体，使用UPLC-ESI-MS/MS技术获取了正常浇水和干旱条件下群体的代谢谱数据，共发掘到群体内3890个高置信度的代谢物，其中1035个是干旱响应的特异代谢物，且这些代谢物在响应干旱胁迫时，以上调表达为主。利用这些代谢物对玉米抗旱指标进行了预测，结果显示，相较于所有3890个代谢物和随机选取的等量代谢物而言，这1035个响应干旱的特异代谢物具有更好的表型预测能力（图1），说明这些干旱响应的特异代谢物包含着更丰富的玉米抗旱信息。

　　图1 干旱响应特异代谢物具有更优秀的抗旱性预测能力。a 鉴定到的已知结构的代谢物分类；b 正常浇水和干旱条件下，玉米群体基于代谢物的PC分析；c 上调和下调表达的代谢物；d 已知结构的干旱响应代谢物；e 代谢物对抗旱表型指数的预测

 

　　进一步，研究者们通过全基因组关联分析，相关性分析，网络分析和eQTL分析，整合构建了干旱与正常浇水环境下的基因-代谢调控网络，并明确了其中的“节点”基因 （Hub gene）。本研究除了鉴定到一批已知调控干旱应答的基因外，还鉴定到大量未被报道的抗旱候选基因；另外，相较于正常浇水环境，干旱条件下基因-代谢网络中出现更多的节点基因，且这些基因具有更强的可解释性（图2）。有趣的是，该研究鉴定到的抗旱基因在玉米驯化和改良过程中呈现出了被“忽视”的现象，即：在现代玉米育种过程中，人们并未对抗旱性进行充分的选择，致使全基因组范围内，抗旱变异位点在现代玉米中出现“丢失”的现象。

 

 

　　该研究选取了两个干旱特异的Hub基因ZmBx12（编码一个苯并噁唑嗪酮合酶）和ZmGLK44（编码Golden-like 2类转录因子）进行后续分析验证。通过遗传，生化与分子生物学手段，确定了ZmBx12基因上的CACTA转座子插入导致了丁布含量升高，进而降低了玉米的抗旱性。此外，研究者们还发现一个未被报道的转录因子编码基因ZmGLK44，发现该基因在代谢调节和干旱应答中发挥着重要作用。该基因可以通过直接结合并激活色氨酸合酶TSB2，调控玉米的色氨酸合成途径，维持干旱下色氨酸更高水平的合成。实验显示，体外喷施色氨酸能够增强不同遗传背景玉米的抗旱性；干旱诱导表达ZmGLK44的转基因材料在干旱下表现出了更高的存活率与水分利用效率，而在正常环境下，其与阴性材料相比无显著差异。这些研究表明色氨酸有作为玉米抗旱制剂的商业化潜力，基因ZmGLK44具有良好的抗旱育种应用潜力（图3）。

 

 

　　总之，该研究基于还原论的思想，将作物复杂的抗旱性状分解为相对简单的代谢性状。基于这些代谢性状鉴定到大量潜在的抗旱位点，深入揭示了玉米抗旱遗传机制，为玉米抗旱育种提供了新的基因资源和丰富的遗传“宝库”。该研究证明了代谢组学是解析植物复杂性状的有力工具。

 

　　我校作物遗传改良国家重点实验室的张斐和吴锦峰博士生为该论文的共同第一作者。代明球教授，陈伟教授和以色列本·古德里安大学的Yariv Brotman 教授为该论文的共同通讯作者。本研究得到了武汉市应用基础前沿项目、北京市杰出科学家项目和基金委国际（地区）合作与交流项目的主要资助。

 

　　据了解，我校代明球课题组多年来围绕玉米抗旱基因克隆、抗旱遗传机制解析和优良抗旱等位变异挖掘等方向进行深入研究，已取得多项成果，在包括Genome Biology, PNAS, Molecular plant, Plant Journal等SCI杂志发表多篇论文。今年6月份，代明球课题组主导合作在Genome Biology发文，报道了基于高通量表型组技术，结合变异组、表达组和分子生化手段揭示玉米抗旱遗传与分子机制的研究（Wu et al., 2021）。本论文是该课题组在Genome Biology杂志的再次研究报道。基于多组学和分子生化手段联合分析，代明球课题组系统地揭示了玉米大规模群体在干旱胁迫条件下的外在（如株型、叶色、生物重、存活率等）和内在（如高光谱数字表型、核磁共振内部结构、代谢物等）表型变化，并基于这些丰富的表型变异比较全面地阐明了玉米的抗旱遗传机制，揭示了包括ZmcPGM2, ZmFAB1A, ZmBx12和ZmGLK44在内的一批新的、重要的候选基因的抗旱功能、作用机理，为促进我国玉米抗旱育种进程打下了良好的基础。

 

　　原文链接：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.