Nature Genetics | 德国波恩大学于鹏团队揭示玉米根系驯化及环境适应性遗传机理

提高作物抗逆性、保障粮食安全、实现农业可持续发展一直是国际科学界的重大挑战。根系作为植物唯一的地下器官，在水分养分吸收及抗倒伏方面发挥着至关重要的作用。由于根系的不可见性及量化表型的复杂性，使得作物根系研究较叶片和籽粒而言一直相对滞后。禾本科作物玉米作为成功的驯化植物，在保障全球粮食安全方面发挥了重要作用。然而，玉米复杂的根系结构形态以及形成的遗传机理及生态适应性轨迹一直未知。理解作物根系建成的遗传学基础及环境适应性驱动力，对于高效挖掘抗逆并适应未来气候变化的作物资源具有重大理论意义。来自中国、德国和美国的研究团队合作在Nature Genetics发表的研究论文，题为“Seedling root system adaptation to water availability during maize domestication and global expansion”。该研究首次揭示了禾本科作物玉米在驯化及全球适应性过程中，种子根系的形成与水分全球地理性分布高度吻合，解析了种子根系形成的遗传基础及适应性轨迹。通过根系原位可视化技术及根系结构功能模型量化种子根变化系统影响整个根系形态及水分吸收的贡献。研究挖掘出关键基因ZmHB77，其调节根系结构及玉米苗期抗旱性，发现ZmHB77基因适应自然环境变异，驱动根系结构形态变异与抗旱性共选择及适应的特性。研究基于全球9000余份玉米种质资源，发现多数大刍草没有种子根，而地方品种和现代玉米自交系平均种子根数目在3-4之间，结合考古学证据，揭示种子根的形成可能符合作物驯化历史及适应性扩散过程。通过机器学习方法，发现昼夜温差变化与降雨季节性对种子根数目变化具有最大贡献。古气候降水量作为重要环境因子可以显著解释变异，表明玉米根系的水化适应性与一定进化趋势有关。研究利用玉米起源地墨西哥材料进行环境-基因组学关联分析，发现大量与环境适应性有关的基因组变异位点。结合MAGIC群体，发现种子根数目与纬度变化-水分的适应性及共选择的基因组区段相关。研究表明种子根的变异可能是通过适应键和如新环境的间接选择形成的。研究还评估了一组携带北方硬粒玉米地方品种基因组区域的基因渗入系，发现携带美国西南部北方硬粒玉米种质的等位基因是决定玉米局部适应不同环境过程中种子根变异的重要因素。研究进一步探索种子根变异对系统根系结构及形态的影响，基于218份代表性玉米地方品种，使用计算机根模型CPlantBox进行根系结构和形态特征评估模拟。结棚仿果表明，种子根系统变异影响整个幼苗根系结构，与初生根长度和侧根密度呈负相关。种子根的变化通过调节整体根系水导性能Krs来影响幼苗活力。土壤条件下，种子根的变化会影响整个根系的系统维度和数目，决定植物捕获水分的能力。研究还发现，种子根的变化影响侧根对总根吸水量的潜在相对贡献。研究通过全球1,604份玉米自交系进行GWAS分析，挖掘到160个候选基因。利用BonnMu根系突变体库及CRISPR/Cas9敲除株系，最终确定位于第9号染色体上的关键候选基因ZmHb77。功能验证发现ZmHb77通过控制种子根数目系统调节侧根密度，影响根系整体吸水能力，提高玉米苗期抗旱性。研究还发现该基因控制根系构型及其抗旱性的有利等位变异，影响种子根数目的同时影响侧根发育及其密度，进一步影响玉米的抗旱性。该研究由国内外20个科研单位合作完成，德国波恩大学作物功能基因组学及根系功能生物学团队为第一完成单位。德国波恩大学根系功能生物学实验室稿启PI于鹏博士为第一作者及共同通讯作者。德国波恩大学作物功能基因组实验室Frank Hochholdinger教授、中国农科院作物科学研究所王天宇研究员和美国宾夕法尼亚大学Ruairidh Sawers教授为共同通讯作者。中国农科院作物科学研究所李春辉研究员、美国宾夕法尼亚大学Meng Li博士和德国波恩大学根系功能生物学实验室何晓明博士为共同第一作者。德国亥姆霍次Juelich研究中心（IBG-2）Robert Koller教授在根系非损伤可视化技术及放射性碳标记方面提供了重要技术支持。德国慕尼黑工业大学Mutez Ali Ahmed教授在根系-土壤水分互作模型方面参与了研究。德国莱布尼茨育种中心Ljudmilla Borisjuk教授在种子原位CT可视化技术方面参与了该研究。