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

德国波恩大学于鹏团队在《Nature Genetics》发表研究，揭示了玉米根系在驯化及全球适应性过程中的遗传机理及环境适应性机制，发现关键基因ZmHB77通过调控种子根数目影响抗旱性，为可持续农业发展提供理论依据。研究背景与挑战作物抗逆性、粮食安全及农业可持续发展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关键作用，但其不可见性及量化表型的复杂性导致研究滞后。玉米作为成功的驯化植物，其根系结构形态及遗传机理的生态适应性轨迹此前未知。研究核心发现种子根形成与驯化历史吻合：基于全球9000余份玉米种质资源（包括野生近缘种大刍草、地方品种和现代自交系）的根系表型鉴定发现，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，揭示种子根的形成符合作物驯化历史及适应性扩散过程。环境因子对种子根数目的影响：利用机器学习方法发现，昼夜温差变化与降雨季节性对种子根数目变化贡献最大。全新世中期（距今6000年前）古气候降水量作为重要环境因子，显著解释了种子根数目的变异，表明玉米根系的水化适应性与进化趋势相关。基因组变异与环境适应性：通过环境-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。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，表明种子根变异可能是通过适应新环境的间接选择而形成。Northern Flint种质的影响：美国西南部玉米种质资源的种子根数目较低，且仅在美国、加拿大和一些欧洲国家观察到如此低的种子根数目。基因组渗入分析发现，Northern Flint种质的渗入比例与种子根数目呈显著负相关，表明其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。种子根变异对根系结构及功能的影响根系结构模拟：基于218份代表性玉米地方品种，使用计算机根模型CPlantBox评估模拟发现，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。水导性能与幼苗活力：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。使用MRI-PET技术比较玉米无种子根突变体rtcs与野生型材料发现，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。侧根贡献变化：使用218个地方品种的CPlantBox确定标准吸收分数(SUF)，证明侧根对总根吸水量的潜在相对贡献随着种子根的增加而减少。关键基因ZmHB77的挖掘与功能验证GWAS分析：使用全球1,604份玉米自交系进行GWAS分析，挖掘到160个候选基因。关键基因确定：利用BonnMu根系突变体库及CRISPR/Cas9敲除株系，确定位于第9号染色体上的关键候选基因ZmHb77。功能验证：ZmHb77通过控制种子根数目系统调节侧根密度，进而影响根系整体的吸水能力，提高玉米苗期的抗旱性。进一步挖掘到该基因控制根系构型及其抗旱性的有利等位变异。基因表达分析：通过玉米籽粒胚及其根系中柱基因表达分析，发现ZmHb77调节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。研究团队与资助研究团队：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。于鹏博士为第一作者及共同通讯作者，Frank Hochholdinger教授、王天宇研究员和Ruairidh Sawers教授为共同通讯作者。技术支持：德国亥姆霍次Juelich研究中心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支持，Andrea Schnepf教授在根系结构功能模型方面量化根系结构及水分吸收；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研究；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研究。项目资助：得到德国DFG-Emmy Noether优秀青年项目、德国可持续农业PhenoRob cluster和DFG重大群体“根际”项目SPP2089等资助，同时得到中国“十四五”重点研发计划、国际大科学计划G2P和中国农业科学院创新工程等项目资助。于鹏课题组简介研究方向：植物根系形成的进化及遗传调控机理。作物根系驯化及环境选择的生态适应性过程。根系发育过程与外界环境胁迫应答机制。根系遗传调控与环境微生物互作植物分子遗传学及微生物学研究。研究技术：基于群体遗传多样性及根系发育突变体，应用植物和微生物多组学联合研究技术，根系组织-单细胞水平如细胞激光捕获技术（laser capture microdissection）及根系/根际非损伤养分分布可视化技术（MRI-PET, NanoSIMS）。未来计划：课题组及其主要成员近期将迁往慕尼黑工业大学生命科学研究中