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The Crop Journal | 河南农业大学揭示ZmSO调控玉米响应脱落酸和干旱胁迫的遗传机制

2023/3/28 10:11:11  阅读:119 发布者:

以下文章来源于The Crop Journal ,作者编辑部

玉米作为重要的粮食作物,在国家粮食安全和畜牧业发展中发挥着举足轻重的作用。近年来,全球气候变暖和水资源短缺导致干旱日趋严重,严重限制了玉米生产。因此,提高玉米品种的耐旱性成为玉米生产中亟待解决的问题。为了实现这一目标,最经济有效的方法是培育和推广耐旱玉米品种,这需要发掘和利用优良等位基因并阐明其遗传调控机制。已有研究表明,植物硫代谢途径通过精确调节硫代谢物的平衡来影响植物对干旱胁迫的适应性。亚硫酸氧化酶(sulfite oxidase, SO)是一种含钼辅因子类的酶,可将有毒亚硫酸盐氧化成硫酸盐并介导亚硫酸盐代谢。近二十年,河南农业大学夏宗良实验室鉴定了玉米ZmSO依赖于亚硫酸盐的氧化酶活性和亚硫酸盐解毒功能。ZmSO异源表达可显著增强烟草的耐旱性。ZmSO基因上游119 bp启动子区域,对其响应干旱或脱落酸起着重要的调节作用。然而,ZmSO调控玉米耐旱性的遗传机制尚不清楚。

近日,河南农业大学生命科学学院在The Crop Journal在线发表了题为“Genetic variation in ZmSO contributes to ABA response and drought tolerance in maize seedlings”的研究论文,作者利用候选基因关联分析和RNAi基因敲降技术,分析了ZmSO的表达与玉米耐旱的相关性并对ZmSO等位变异调控玉米抗旱性的遗传机制进行了研究。

研究者通过创制ZmSO-RNAi玉米转基因株系研究了ZmSO对干旱胁迫的响应。经过15天的干旱处理,与野生型相比70%RNAi株系表现出严重的枯萎,甚至死亡(图1)。显微观察发现,ZmSO的表达影响了玉米叶片的气孔开度。这充分证明ZmSO表达与玉米的耐旱性有关。利用qRT-PCR研究了ZmSO50份抗旱性不同的玉米自交系中的表达水平,相关性分析显示ZmSO的表达丰度与玉米抗旱性高度相关,即在耐旱系中表达较高,敏感系中表达较低。为进一步探究该基因的遗传变异对抗旱性的影响,对112份玉米自交系进行了SO基因的测序,共鉴定出81SNP14InDel变异。对这些SNP/InDel与耐旱表型进行了关联分析,在ZmSO启动子区鉴定出一个InDel-937变异与抗旱性密切相关(图2)。序列比对显示,在ZmSO启动子区域的位点 –937 bp 处有一个14 bp InDel变异(图2),该变异包含两个ABA响应元件(ABRE)。Del-937导致干旱敏感基因型中两个串联ABRE缺失(图2)。统计分析发现,这112份玉米自交系具有两种单倍型(SOPTE+SOPTE-),且InDel-937的遗传多态性与玉米幼苗的耐旱性显著相关(图2)。进一步研究表明,ZmSO启动子区域中包含的这两个ABA响应元件赋予ABA诱导表达,进而增强了玉米幼苗的耐旱性(图3)。另外,对这种有利等位基因(SOPTE+)的遗传选择增加了玉米的抗旱能力(图4)。该项研究为硫代谢相关优异等位基因在玉米抗旱分子育种中的应用奠定了理论基础。

1 ZmSO-RNAi转基因玉米株系干旱胁迫下的表型

2 ZmSO基因变异与玉米抗旱性的关联分析

3 ZmSO启动子区14 bp的变异影响ABA的响应

4 ZmSOInDel-937等位变异影响玉米的抗旱性

作者和基金项目

河南农业大学生命科学学院夏宗良教授为该文第一作者和通信作者。硕士研究生刘芳芳、周子健博士、陈甲法副教授和吴建宇教授参与了部分工作。该研究得到国家自然科学基金项目(3097154831971894)和河南省高校科技创新人才项目(16HASTIT021)资助。夏宗良教授课题组长期致力于硫代谢关键基因调控植物抗旱性的分子遗传机制研究。近年来,在The Plant JournalPlant ScienceEcotoxicology and Environmental Safety等学术期刊发表高水平研究论文25篇。

转自:“植物生物技术Pbj”微信公众号

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