[00147636]玉米抗旱相关基因挖掘与作用机制研究

揭示玉米干旱胁迫响应的作用机制,创制玉米抗旱新种质,进而培育具有高产潜力及环境稳定型的玉米品种,不仅是生命科学领域中的重要科学问题和实际生产问题,更是节约水资源、增强我国农业科技竞争力的根本途径,具有重要的战略意义。本项目在国家自然基金、河南省重大专项等项目的支持下,聚焦细胞壁合成、ABA合成与信号介导路径中相关基因响应干旱胁迫的科学问题,通过图位克隆、基因编辑、高通量大数据分析克隆了一系列响应干旱胁迫的相关基因,从细胞学、生理生化学、分子生物学水平上揭示了细胞壁合成和ABA合成及信号介导路径中关键基因响应干旱胁迫的作用机制,并初步建立玉米关键生育期抗旱效评价体系,鉴定、创制出抗旱种质55份,取得了一系列原创性成果。 1.通过Mu转座子插入和CRISPR-Cas9技术,获得wi5、wi6、nst3干旱胁迫敏感突变体,验证了候选基因ZmXYL、ZmGXM1、ZmNST3的生物学功能,首次揭示其通过调控玉米细胞壁合成并激发抗氧化酶系统关键酶的活性来响应干旱胁迫的作用机制。增强细胞壁的稳定性和提高抗氧化酶活性是玉米适应干旱响应的潜在靶标,为细胞壁合成关键基因在抗旱育种中的应用提供了新的策略。 2.采用转录组测序结合加权基因共表达网络分析、相关性分析等方法,揭示了玉米苗期抗旱相关基因的表达动态规律,挖掘出25个抗旱相关基因ZmOSCA2.2、ZmOSCA2.3、ZmOSCA2.4、ZmbZIP16、ZmbZIP33、ZmNAC25、ZmNAC74、ZmSBP3、ZmGLUT-1等,进一步阐明了ZmOSCA基因家族与脯氨酸含量变化的动态规律,并发现ZmOSCA2.4促进ABA响应基因的表达机制。结果为解析玉米苗期抗旱性提供了重要的分子基础。 3. 首次克隆玉米MEP途径关键限速酶基因ZmIspH,并明确其影响ABA合成;发现ABA信号传导路径中核心元件ZmPYL10、ZmPP2C7、ZmSRK2E和ZmbZIP33间的互作关系,阐明ZmbZIP33与ZmbZIP16参与调控ABA合成、ABA信号传导的作用机制,有助于促进玉米根系发育和增强抗旱性。为利用优良基因聚合增强玉米抗旱性提供了重要基因资源和有力的技术支撑。 4. 初步建立玉米苗期、拔节期和抽雄期简单、高效的抗旱评价体系,筛选出抗旱种质36份,解析了三个时期均抗旱的7份自交系响应干旱胁迫的生理作用方式;抗旱评价体系和抗旱种质得到国内多家育种单位的认可和利用,并创制出19份抗旱优良自交系;利用过表达ZmbZIP16和ZmGXM1抗旱转基因株系对骨干种质进行抗旱性改良。研究为实现玉米抗旱育种奠定了技术与应用基础。 经过10余年的研究,在国内外著名期刊发表论文24篇,其中6篇为JCR一区,1篇JCR二区,被Plant Biotechnology Journal、Plant Journal、Plant physiology等期刊引用共256次,得到了同行的高度评价,尤其是在细胞壁合成关键基因响应干旱胁迫方面达到了国内相关研究领域领先水平,代表性论文发表在Molecular Plant、Plant, Cell ＆ Environment、Journal of Integrative Plant Biology等本领域权威期刊上,其中代表性论文3被引用20次,获得河南省自然科学学术论文奖一等奖,申请国家发明专利2项,授权1项,有效提升了我国在抗旱育种领域中的竞争力。