玉米耐铅种质资源的筛选及铅逆境适应的分子调控机理研究

近几年，随着城市化进程的加快和工矿业的迅猛发展、以及含重金属农药化肥的不合理使用，土壤环境重金属污染日益严重，其导致的粮食和食品安全事故频繁发生，已成为影响我国农业生产安全和食品安全的首要问题。因此，如何有效减少重金属在粮食作物中的富集和累积，探索粮食作物对重金属胁迫的响应机制，从而保障农业安全生产已成为当前农业的重要课题。本项目拟以国内主要玉米自交系为供试材料，建立玉米耐铅种质资源的筛选、鉴定和评价体系，探索其抗逆的分子遗传基础，揭示逆境胁迫下的分子机制，旨在解决筛选和培育铅污染预防玉米品种（低吸收、低积累土壤中铅特征的玉米品种）的关键性基础理论问题；发掘具有应用价值的基因资源和重要功能基因，为玉米新品种培育奠定坚实的应用理论基础；建设一支高水平的研究团队，推动我国玉米及粮食作物产业的安全可持续发展。

食品安全是我国农业生产的首要问题。如何有效减少重金属在粮食作物中的富集和累积，探索粮食作物对重金属胁迫的响应机制，从而保障农业安全生产已成为当前农业的重要课题。本项目选用具有代表性的玉米骨干自交系为试验材料，成功筛选出高积累自交系178和低积累自交系9782，并以自交系178和9782构建的RIL群体及B73和Mo17构建的高密度IBMSyn10 DH群体为试验材料，利用复合区间作图法对玉米不同部位铅的积累和转运相关基因进行QTL定位分析。同时，利用铅富集差异自交系178，9782为材料，在根系响应重金属铅胁迫下的RNA转录水平、miRNA调控、蛋白质和DNA甲基化差异等层面开展研究。通过项目的开展，明确了极端差异材料178和9782在重金属铅胁迫下生理生化指标的变化规律及差异，为后期根系转录组测序等工作的开展提供了理论依据。QTL分析共获得玉米不同组织Pb含量QTL 29个，其中根系重金属Pb含量相关QTLs 8个，茎秆Pb含量相关QTLs 6个，玉米叶片Pb含量相关QTLs 10个，籽粒Pb含量相关QTLs 5个。转录组分析共获得384个差异表达基因(DEG)，并对36个重要候选基因中随机挑选16个差异表达基因进行qRT-PCR验证；通过DNA甲基化分析，揭示出不同样本间存在甲基化程度明显差异的基因140个，通过GO功能注释发现一些与Pb处理相关的转录因子和重要蛋白,转录因子如GRAS，AP2/ERF，bHLH，Myb，ZIF转录因子等。在miRNA水平上，共获得92个已知和378个新miRNA，在这些miRNA的靶基因中包含与重金属转运有关的蛋白，如重金属P-ATPase等。为了进一步明确这些基因的关系，我们采用整合生物学的方法，最终获得了多个与重金属铅胁迫响应有关的候选基因，并详细分析了其调控途径，对部分基因进行了拟南芥和玉米的转基因验证。通过以上研究，初步探明了玉米抗重金属铅胁迫的分子遗传基础，揭示了玉米根系铅胁迫响应的分子机制，获得了具有一定应用价值的基因资源和重要功能基因，从而为进一步克隆和转化铅胁迫响应基因，改良现有种质资源，选育具有抗铅基因且综合性状优良的综合种打下理论与材料基础。