玉米氮素信号转导因子ZmGlnB1基因的功能与作用机理研究

Nitrogen is the important factor in maize production. The low nitrogen utilization efficiency (NUE) of maize is a challenge in China. Discovering gene resource involved in NUE is the basis of maize breeding. GlnB1 proteins can be regarded as nitrogen signal transduction factors, and perform or regulate crucial reactions in nitrogen assimilatory pathways. Its function was only certified in the model plants, but there were no related reports in maize. Through the hydroponics and field experiments, 96 maize inbred lines commonly used in Chinese breeding programs were evaluated for NUE. Genetic structure and diversity of ZmGlnB1 gene among those tested materials were studied, which included SNP (single nucleotide polymorphism), Indel (insertion and deletion), CNV (copy number variation) and PAV (presence/absence variation). The association analysis was performed between the genetic diversity of ZmGlnB1 and NUE phenotype among the tested maize inbred lines. The function of ZmGlnB1 gene was identified at the tissue, cellular and molecular levels. One objective of this study was to identify functional alleles and haplotypes of high NUE, which made the critical breakthrough in theory and application of functional gene. The other objective was to identify the inbred lines of high NUE for the genetic improvement of maize varieties. The progress of this study has great significance for clarifying how ZmGlnB1 gene regulated maize nitrogen metabolism and breeding maize varieties of high NUE.

培育氮高效利用品种是解决当前我国玉米氮利用效率低这一难题的有效途径，而定位和分离氮素代谢调控网络上的关键基因是培育氮高效利用品种的前提和基础。GlnB1是一类在植物体内感应并传递氮素信号的基因，与全株氮素代谢调控反应、氮利用效率紧密相关，其功能仅在模式植物中得到证实，在玉米中尚无相关报道。本研究在对我国玉米生产上常用的自交系材料进行氮利用效率评估的基础之上，结合ZmGlnB1基因序列多样性的研究结果，开展基于候选基因策略的关联性分析，发掘与氮高效利用性状相关的ZmGlnB1功能等位基因，并在组织、细胞和分子水平上鉴定ZmGlnB1基因的功能。本研究一方面可以探明氮素信号转导因子ZmGlnB1基因在玉米氮素生理利用中的功能和作用机理；另一方面可以筛选出氮高效利用的玉米自交系材料，为玉米种质资源的遗传改良奠定基础。

为了实现我国玉米产业化的可持续发展，从保护生态环境、减少生产成本考虑，必须提高玉米氮素利用效率，降低氮肥施用量。培育氮素高效利用品种是提高玉米氮素利用效率的有效途径，而发掘氮素高效利用基因资源是培育氮素高效利用品种的前提和基础。定位和分离氮素代谢调控网络上的关键基因是当前相关基因资源发掘的研究热点，但是如何鉴定出候选基因中对玉米氮素利用效率有较大贡献的功能等位变异是急需解决的问题。GlnB1作为一类在植物体内感应并传递氮素信号的基因，与全株氮素代谢调控反应、氮素利用效率紧密相关，其功能仅在模式植物中得到证实，在玉米中尚无相关报道。.本研究发掘出玉米ZmGlnB1基因，并从组织、细胞和分子水平确定ZmGlnB1基因在玉米氮素信号感知及转导中的功能；通过水培和田间试验建立一套评价玉米氮素利用效率的简单、有效和实用的指标体系，并以此综合鉴定和评估玉米自交系材料的氮素利用效率；在供试玉米自交系材料中进行ZmGlnB1基因叶绿体定位功能域、ATP结合与催化域、氮素信号传感功能域的自然等位变异分析，明确ZmGlnB1基因序列的遗传多样性信息；综合供试材料中的ZmGlnB1基因序列比对结果与氮素高效利用相关性状数据，开展基于候选基因策略的关联性分析，发掘与玉米氮素高效利用性状密切相关的ZmGlnB1等位基因变异，阐明ZmGlnB1基因如何调控玉米氮素的高效生理利用；构建玉米RNA干扰转基因载体，使用农杆菌介导的离体玉米胚珠转化方法，获得RNA干扰ZmGlnB1基因的转基因玉米材料，比较非转基因对照和转基因材料中ZmGlnB1基因在不同组织器官、不同时间点的表达情况以及氮素利用效率的表型差异，验证ZmGlnB1基因的生物学功能。.本研究一方面探明了氮素信号转导因子ZmGlnB1基因在玉米氮素生理利用中的功能和作用机理，进而从氮素信号感知和传递角度阐明了玉米氮素高效利用机制，这对于基础理论研究具有重要作用；另一方面筛选出氮素高效利用的玉米自交系材料，这将为玉米氮素高效利用种质资源的遗传改良及种质创新等实际生产应用提供技术支撑，推动我国玉米生产发展。