作者：李晨 來源：中國科學報 發布時間：2021/7/13 8:20:05

表型組學技術：精準挖掘玉米抗旱基因


隨著測序技術普及和待測材料的規模化，傳統的干旱表型性狀獲取手段已經不能滿足植物抗逆基因組學研究的需求，嚴重阻礙玉米抗旱資源的挖掘。

近年來，以智能化、高通量、動態無損測量為主要特征的表型組學技術迅猛發展，使得多時空多尺度表型檢測成為可能，可實現作物全生育期表型動態精準鑒定。

近日，《基因組生物學》在線發表了華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室和湖北省洪山實驗室教授代明球與楊團隊的研究成果。他們借助表型組學技術對玉米的干旱表型進行連續無損檢測，獲得了豐富的圖像性狀，構建了基因—表型關聯網絡，揭示了玉米抗旱的遺傳基礎以及潛在抗旱位點。這項工作被該雜志評選為亮點文章。

中國農業大學教授田豐認為，該研究提出了一種高通量玉米抗旱表型精準鑒定和抗旱基因挖掘新思路和新方法，為玉米抗旱遺傳改良提供了新的基因資源和豐富的遺傳“寶庫”。

傳統表型特征難以實現高通量檢測

在世界范圍內，玉米是重要的糧食作物、飼料和工業原料。

論文共同通訊作者楊告訴《中國科學報》，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的主要自然災害之一，嚴重的干旱甚至會導致玉米顆粒無收，經濟損失巨大。因此，如何有效地提高玉米的耐旱性、培育抗旱新品種是保障糧食安全的迫切需求。

“干旱嚴重影響玉米生長和產量水平，是限制玉米生產發展的主要因素。”田豐說，玉米的抗旱性是多基因控制的復雜數量性狀，傳統的玉米干旱表型有株高、存活率、卷葉程度、葉片含水量等。

“這些表型由于獲取手段存在測量通量低、耗時費力、精度不高、破壞性等缺點，目前已經不能滿足飛速發展的植物抗逆基因組學研究的需求，嚴重阻礙了玉米抗旱資源的挖掘。”田豐指出。

不僅玉米如此，隨著測序技術等基因組技術飛速發展，水稻、玉米、小麥等我國主要農作物測序已經完成，以水稻為代表的作物功能基因組研究已經進入高通量時代。

代明球告訴《中國科學報》，測序技術的普及以及待測材料的規模化帶來一個新的問題——缺少高通量精準的表型組分析技術，所以作物表型組學應運而生。

作物表型組學是一門全面研究作物表型信息大規模高通量精準獲取和分析技術方法的交叉學科。廣義的作物表型組學研究對象不僅包括物理性狀，也包括生理指標、生化特征、生長發育性狀，以及新穎的圖像數字性狀等。

“作物表型組技術可廣泛應用于作物抗旱等非生物脅迫逆境研究，也可以應用于抗病等生物脅迫逆境、高產優質、營養高效利用等研究。”代明球說。

自主研發數字化圖像表型提取技術

研究人員利用華中農業大學高通量作物表型平臺，結合高光譜、微型CT、RGB多光學成像技術對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行了連續無損檢測。

論文共同作者、華中農業大學信息學院馮慧博士說，在這項研究中，他們自主研發了高光譜、微型CT、RGB多光學成像系統。

光譜成像的基本原理是光的散射和折射。作物內部各物質含量不一樣，導致光譜相機接收到不同光譜波段下的圖像信號不一樣，以此反映作物體內各物質含量的差別。

在實際應用中，通過高光譜技術可無損提取作物葉綠素、水分等生理生化和抗旱相關的代謝物指標。研究人員自主研發的高通量高光譜成像系統率可達44秒/株。

CT成像的基本原理是高能粒子的穿透能力。作物不同器官組織對X射線吸收存在差異，以CT重建原理技術將作物內部不同器官組織的吸收差異重建出來。

在實際應用中可以無損檢測作物內部結構及相應表型性狀，比如莖壁厚、莖壁面積、維管束面積等莖稈內部表型性狀。據悉，他們自主研發的高通量CT成像系統率可達5分鐘/株。

RGB成像可以反映植物的大小、顏色、形態、紋理等信息，在實際應用中為面掃描模式。他們自主研發的RGB成像系統率可達37秒/株。

在此基礎上，研究人員還自主研發多光學圖像批處理程序，分析并提取高光譜、CT、RGB圖像性狀。通過篩選，最終獲得10080個與干旱脅迫相關的圖像性狀。

馮慧解釋道，圖像性狀是指通過光學檢測手段獲得作物圖像信息，并研發圖像分析算法提取相應的圖像相關特征，使其數字化。比如玉米抗旱研究中用到的數字化生物量、數字化持綠、數字化卷葉、水分含量、可溶性糖等性狀。

復雜數量性狀遺傳解析的典型范例

論文共同作者、華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室博士生伍璽介紹，通過篩選獲得干旱脅迫相關的圖像性狀之后，他們利用全基因組關聯分析鑒定到2318個與干旱脅迫相關的候選基因。

通過一系列篩選，最終選擇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）來進行抗旱功能的驗證。

“它們參與植物關鍵的代謝通路，在植物抗逆應答過程中發揮重要作用。”伍璽說。利用上述基因的突變體，他們發現在干旱脅迫下突變體相比于野生型有更好的存活率、更高的水分利用效率、更慢的葉片失水率以及更短的散粉—吐絲間隔期。

基于突變體的研究表明，ZmcPGM2和ZmFAB1A能夠調控相應表型并負調控玉米抗旱。

值得注意的是，他們對比了前人的研究結果，總結了在玉米馴化和改良中受到選擇的位點。

代明球介紹，他們鑒定到的玉米抗旱候選基因大都不在栽培玉米種中存在，這說明抗旱基因在玉米馴化和改良中沒有受到選擇。

他們猜測，育種家在選育玉米材料的過程中，往往追求高產，重點關注產量相關性狀，忽略植物的抗逆性。而一般來說，產量和抗逆性是拮抗的。因此，在玉米馴化和改良的過程中，這些抗旱位點丟失了。“未來可以利用這些丟失的位點來改良玉米的耐旱性。”代明球說。

楊介紹，他們這套新方法從群體水平結合多種高通量光學表型手段，實現了高通量全生育期獲取玉米表型，并篩選出干旱相關圖像表型，再結合多組學（代謝組、轉錄組）數據及全基因組關聯分析進行玉米抗旱候選基因的高效挖掘。

“這項新技術再一次證明了結合高通量表型技術和全基因組關聯分析，可精準高效解析復雜性狀遺傳機制。新技術有潛力推廣應用于小麥、油菜等其他作物抗旱遺傳育種研究。”楊說。

田豐表示，該研究是表型組、基因組、代謝組、轉錄組等多維組學大數據整合的重要嘗試，為復雜數量性狀遺傳解析和基因鑒定提供了典型范例。

相關論文信息：https://doi.org/10.1186/s13059-021-02377-0

轉載自：/htmlnews/2021/7/461223.shtm