2021年06月24日，國際學(xué)術(shù)期刊Genome Biology《基因組生物學(xué)》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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和湖北省洪山實(shí)驗(yàn)室代明球教授與楊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。該研究基于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高通量作物表型平臺，結(jié)合高光譜、微型CT、RGB多光學(xué)成像技術(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(jìn)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)的圖像性狀 (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-表型關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合代謝組和轉(zhuǎn)錄組大數(shù)據(jù)，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(diǎn)，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、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，日益頻繁的干旱已成為玉米減產(chǎn)的主要自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重的干旱甚至?xí)?dǎo)致玉米顆粒無收，造成巨大經(jīng)濟(jì)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。

玉米抗旱研究離不開高通量表型精準(zhǔn)鑒定，但由于“表型瓶頸”，即傳統(tǒng)的干旱表型性狀獲取手段存在測量通量低、耗時費(fèi)力、精度不高、破壞性等缺點(diǎn)，目前已經(jīng)不能滿足飛速發(fā)展的植物抗逆基因組學(xué)研究的需求，嚴(yán)重阻礙了玉米抗旱資源的挖掘。近年來，以智能化、高通量、動態(tài)無損測量為主要特征的表型組學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得多時空多尺度表型檢測成為可能，可實(shí)現(xiàn)作物全生育期表型動態(tài)精準(zhǔn)鑒定。

本研究利用368份玉米自然群體材料（干旱組和對照組），結(jié)合高光譜、微型CT、RGB多光學(xué)成像技術(shù)對玉米進(jìn)行多時間點(diǎn)動態(tài)檢測（10個時間點(diǎn)的RGB圖像，4個時間點(diǎn)的高光譜圖像，3個時間點(diǎn)的CT圖像）；并自主研發(fā)多光學(xué)圖像批處理程序分析并提取圖像性狀i-traits，通過篩選最終獲得10,080個與干旱脅迫相關(guān)的圖像性狀i-traits(圖1)。

圖1.結(jié)合表型組和全基因組關(guān)聯(lián)分析揭示玉米抗旱遺傳機(jī)制。a.高通量作物表型平臺及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；b.高光譜成像（HSI）、微型CT、RGB圖像分析及圖像性狀i-traits提取；c.干旱脅迫相關(guān)圖像性狀篩選和后續(xù)功能基因挖掘

通過篩選獲得干旱脅迫相關(guān)的圖像性狀i-traits之后，利用全基因組關(guān)聯(lián)(GWAS)分析鑒定到2,318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)建了基因和圖像性狀i-traits的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(圖2)。

圖2.玉米干旱脅迫響應(yīng)圖像性狀i-traits的遺傳解析。a.基因和圖像性狀i-traits的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò);b.候選基因在糖代謝通路富集；c.候選基因在磷酸肌醇代謝通路富集。 

為了驗(yàn)證候選基因在調(diào)控光譜表型和抗旱性上的生物功能，進(jìn)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 (圖3)和ZmFAB1A能夠調(diào)控相應(yīng)表型并負(fù)調(diào)控玉米抗旱。


圖3.候選基因ZmcPGM2的抗旱功能驗(yàn)證。a. ZmcPGM2在不同干旱脅迫下的表達(dá)分析;b.單倍型分析；c.突變體和野生型葉片失水率比較；d-e.突變體和野生型干旱脅迫下存活率比較；f-i.突變體和野生型干旱脅迫下光合表型比較；j-k.突變體和野生型在正常澆水和干旱脅迫下花期表型 (ASI) 比較。

進(jìn)一步對干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)圖像性狀i-traits分析發(fā)現(xiàn)，篩選到15個圖像性狀i-traits能夠很好的預(yù)測玉米存活率，且這15個圖像性狀和已知光譜指數(shù)（紅谷、綠峰、綠谷、紅邊等）具有較高相關(guān)性，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(jià)值，可作為潛在的干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)生物標(biāo)記(圖4)。

圖4. 候選基因和圖像性狀i-traits預(yù)測玉米存活率。a.利用全基因組選擇模型對玉米存活率進(jìn)行預(yù)測；b.利用15個圖像性狀i-traits預(yù)測玉米存活率；c-f. 15個圖像性狀預(yù)測4個光譜指數(shù)。

綜上所述，本研究結(jié)合高通量表型組技術(shù)和GWAS分析，鑒定到大量與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)圖像性狀i-traits以及調(diào)控這些圖像性狀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(jià)值。本研究提出了一種玉米抗旱基因挖掘的新思路和新方法，并基于本方法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”。

據(jù)了解，我校作物表型團(tuán)隊(duì)一直致力于作物表型技術(shù)自主研發(fā)與應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)已成功應(yīng)用于水稻、玉米、棉花等作物抗旱遺傳解析。本研究再次證明，結(jié)合高通量表型技術(shù)和遺傳分析技術(shù)不僅為作物功能基因組和作物育種研究提供新穎評價(jià)指標(biāo)，而且將復(fù)雜性狀解析成簡單且高遺傳力的圖像性狀，為作物抗旱等復(fù)雜性狀遺傳結(jié)構(gòu)解析提供一種新方法和新思路。

作者簡介和項(xiàng)目資助：
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室伍璽博士生和信息學(xué)院馮慧老師為論文的共同作者，代明球教授和楊教授為共同通訊作者。本研究得到了國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市杰出青年科學(xué)家計(jì)劃和高校基礎(chǔ)研究基金的資助。

來源：Genome Biology.Using high-throughput multiple optical phenotyping to decipher the genetic architecture of maize drought tolerance.Xi Wu, Hui Feng, Di Wu, Shijuan Yan, Pei Zhang, Wenbin Wang, Jun Zhang, Junli Ye, Guoxin Dai, Yuan Fan, Weikun Li, Baoxing Song, Zedong Geng, Wanli Yang, Guoxin Chen, Feng Qin, William Terzaghi, Michelle Stitzer, Lin Li, Lizhong Xiong, Jianbing Yan, Edward Buckler, Wanneng Yang & Mingqiu Dai
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