玉米氮利用相关转录因子的挖掘及其调控模式的动态解析

Grain yields of maize require annually high amounts of nitrogen fertilizer supply, and high usage of nitrogen fertilizer not only increases crop input costs, but also negatively impacts the environment by altering water quality and deteriorating arable land condition. Development and utilization of nitrogen use efficiency maize new varieties is an important way to solve the problem, while one of key issue is to decipher the nitrogen metabolism regulation mechanism. Transcription factors play an important role in gene regulation and signal induction under abiotic stresses. With the development of transcriptome new technology, RNA-seq offers high-throughput gene expression profiles research platform to study genes structure and function, and to reveal the specific biological process regulation mechanism. This study is based on the transcription factors which are discovered from RNA-seq results of two elite maize lines B73 and Mo17 leaf transcriptome differential expression data under normal and low nitrogen status at 5 important physiological growth stages (V12, VT, R1, R2 and R3). Combing these transcription factors and nitrogen metabolism related key genes’ expression profiles with the metabolism biological marks: leaf chlorophyll contents, free amino acid contents, element contents and seed ingredient in these two lines and its F1 under same nitrogen treatment and same growth stages, we expect to discover and decipher the expression pattern of Nitrogen usage related transcription factors, to elucidate the nitrogen usage regulation mechanism and the impacts on maize yield, and to develop a novel strategy to improve nitrogen use efficiency in maize.

氮肥大量施用在增加玉米产量同时，也带来了生产成本的增加和环境污染的加剧。玉米氮高效新品种的开发和利用是解决该问题的直接途径，而氮代谢调控机制的研究又为氮高效品种的创制提供了关键信息。RNA-seq技术的发展为从转录因子层面对氮代谢途径进行解析提供了可能。本研究拟通过高通量RNA-seq技术对正常氮、低氮条件下玉米自交系B73、Mo17及其F1 5个穗形成重要生育期(V12、VT、R1、R2、R3)的穗位叶表达谱进行分析，筛选出氮利用转录因子及下游相关基因候选基因，分析连续生育期转录因子的调控模式及相关基因的表达模式，同时结合相同条件下植株的氮水平代谢指标（叶绿素含量、游离氨基酸、总氮元素）以及种子成分的分析，通过系统生物学和生物信息学方法，揭示玉米中受氮素调控的关键转录因子及其调控模式，初步阐明氮代谢关键转录因子在氮利用过程中的作用机制和对玉米产量的影响。

玉米产量的增加伴随着氮肥的大量使用，同时也带来了生产成本的增加和环境污染的加剧。参与玉米氮代谢过程包括了氮的吸收、转运、转化和再利用多个过程，参与的相关基因非常多，并且其调控机制尚不明确。本项目通过高通量的RNAseq技术对正常氮和低氮条件下玉米自交系B73、Mo17及其F1的5个生育期（V12、VT、R1、R2和R3）叶片表达谱分析，筛选出氮利用转录因子，进行氮代谢调控网络的构建，分析关键基因的表达模式，揭示玉米氮调控基因的表达模式。. 本项目分析了玉米自交系B73和Mo17对氮肥响应的能力，通过氮处理前后，B73叶片中氮含量比值为1.75，地上部干物重比为1.82；Mo17叶片中氮含量比值为1.12，地上部干物重比为1.53，B73为氮肥响应敏感的玉米品种。通过对RNAseq的数据分析，筛选出对氮利用响应显著的基因，并通过DeGNserver，基于CLR算法阈值3.8，构建氮代谢的调控网络，发现了转录因子ZmNLP家族在氮代谢过程中其关键作用。通过全基因组扫描获得了9个ZmNLP，进过系统进化分析可以分为3个亚家族。氮处理的Time-course的定量分析，发现ZmNLP成员氮肥处理后，均迅速上调，其中ZmNLP4和ZmNLP5表达量变化超过5倍以上，玉米氮代谢指标性基因ZmNTR2.随后于NLP基因上调，而ZmNLP随时间推移表达丰度逐渐恢复到初始水平，从基因结构比较分析与拟南芥中AtNLP7基因最为相似，可以初步推断为玉米氮代谢过程的关键调控基因。. 玉米ZmNLP转录因子功能的验证试验还在继续进行中，同时对玉米289份多样性系中ZmNLP基因的分布和表达分析，一定可以揭示该转录因子家族在玉米氮调控中的作用，为玉米高效氮利用的种质开发开辟新的思路。