玉米耐旱基因DT1的克隆与功能研究

Drought is one of the most essential environmental threat which causes agricultural loss worldwide. To understand and improve crop drought tolerance is not only the leading-edge research of plant science but also the demands of sustainable agronomic production in our nation. Through the Genome-Wide Association Analysis (GWAS) of a maize natural variation panel with more than 550 throud Single Nucleotide Polymophisms (SNPs), we succeeded to identifity a gene, named DT1, which was significantly associated to drought tolerance in maize. In this research we will carry out the functional analysis of DT1 gene in drought stress response and tolerance, through molecular and biochemistry studies of the encoded protein, trangenic analyses of expression-altered DT1 maize, and genetic eveluation DT1 allelic effects in Near Isogenic Lines (NILs). This research combines the idea from molecular biology and crop genetics, and it will propose a new research strategy for crop stress-tolerant gene identification. Moreover, the result will provide new valuable genetic resources and markers for maize drought stress improvement.

干旱是威胁我国玉米生产最主要的环境因素。克隆玉米的抗旱基因，研究玉米响应水分胁迫的分子机理，改良玉米抗旱性既是生物学研究的前沿课题，也是我国农业生产的重大需求。我们通过利用来自全球不同地区的玉米自交系材料构成的关联群体，以及覆盖玉米全基因组的高密度SNP标记，对玉米苗期耐旱性进行了全基因组关联分析，确定了控制玉米耐旱性的一个主效基因，并命名为DT1。本研究将通过对DT1基因分子生物学与生物化学的研究，揭示其生化及细胞生物学功能；通过构建玉米DT1基因过量表达转基因玉米材料，研究其在耐受干旱胁迫过程中的生理功能；通过构建DT1基因不同等位基因型的近等基因系（NIL）材料研究该基因优异等位基因型的遗传效应。本研究将充分利用玉米基因组学和数量遗传学的分析手段，融合分子生物学与作物分子遗传学的实验方法克隆玉米耐旱基因，并阐明其作用机理。本研究有可能为玉米耐旱性的遗传改良提供新的基因资源和选择靶点。

在全球范围内，干旱等自然灾害严重威胁玉米生产，严重时会造成大幅减产和绝收，因此克隆玉米抗旱基因，改良玉米抗旱性是农业生产的迫切需求。中国科学院植物研究所秦峰研究组利用全球不同地区的玉米自交系组成的自然变异群体，通过全基因组关联分析发现83个遗传变异位点（解析至42个候选基因）与玉米苗期抗旱性显著相关。其中，最显著的位点位于第9号染色体上的ZmVPP1基因中，该基因编码一个定位于液泡膜上的质子泵-焦磷酸水解酶。通过对大量玉米自交系ZmVPP1序列的精细分析发现，在抗旱性强的材料中，ZmVPP1的启动子中含有一个长度为366-bp的DNA片段插入（InDel-379），该片段中含有3个干旱应答的MYB顺式作用元件，因而提高了ZmVPP1在干旱胁迫下的表达量。通过杂交和连续回交的方法，将抗旱材料的ZmVPP1 基因导入干旱敏感的材料中能有效提高玉米苗期的抗旱性。研究还发现提高ZmVPP1的表达量，可以促进根系的发育增加侧根数目，提高叶片的光合速率和水分利用效率，从而增强玉米的抗旱性能力。在田间干旱缺水条件下，ZmVPP1过表达植株的产量显著高于对照植株，其产量受干旱影响较小。该研究成果对玉米抗旱性的遗传改良具有重要意义，为玉米抗旱新品种的培育提供了重要的基因资源和选择靶点。