玉米耐渍基因ZmWT5.04功能及调控机理研究

Based on map-based clone method, the waterlogging tolerant gene ZmWT5.04 was cloned, in this study, our objective is to elucidate the biological function and molecular mechanism of ZmWT5.04; maize genetic transformation method will be used to uncover the biological function of ZmWT5.04; and illuminate the specifically expressed organs or domain by mRNA in situ hybridization and immunohistochemistry; moreover, we shall assay the specifically binding cis-elements by ChiP-seq and Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA). Combing the results from above-mentioned investigations and result of comparative transcriptome analysis between wild type and mutant, we shall depict the regulatory pathway of ZmWT5.04 gene. Additionally, the allelic variation of ZmWT5.04 will be identified by association analysis and functional markers will be developed using for breeding program. The results will elucidate gene function, the genetic effects and molecular mechanism of ZmWT5.04 and provide excellent allele gene resource for maize waterlogging tolerant molecular breeding.

申请者前期利用连锁分析和染色体置换作图策略图位克隆到一个耐渍候选基因ZmWT5.04，在此基础上，本课题拟通过玉米遗传转化途径，研究ZmWT5.04的耐渍生物学功能；通过RNA原位杂交分析、免疫组织化学分析明确ZmWT5.04特异表达的组织器官；采用ChIP-seq和EMSA方法分析并证实ZmWT5.04特异性结合的顺式元件，结合Mu突变系与野生型、阳性转化植株与隐性对照转录组的比较分析，明确ZmWT5.04基因的表达调控网络。通过以上研究，以期阐明ZmWT5.04的生物学功能及其调控网络。进一步通过关联分析，鉴定优良等位变异，开发特异性功能标记并用于创制育种中间材料。本研究结果将为阐明玉米苗期耐渍性基因功能、遗传效应和作用机理提供重要的理论依据，为开展玉米耐渍分子育种提供优良等位基因资源。

渍水胁迫严重影响陆生作物的生长和发育，但作物耐渍性的遗传基础仍然知之甚少。第七亚家族ERF基因(ERFVIIs)在乙烯信号和响应淹水胁迫中起着重要作用，本研究克隆了玉米基因组中19个ZmERFVIIs，分析了其结构特征。利用候选基因关联分析发现ZmEREB180在多个环境下与耐渍性显著关联，且该基因位于耐渍位点ZmWT5.04内，故将其作为重要的候选基因。ZmEREB180特异性响应渍水胁迫并受到乙烯诱导，亚细胞定位分析其定位在细胞核内。重测序和表达量分析表明ZmEREB180基因5’-UTR的变异以及mRNA的丰度与存活率表型（SR）显著关联。在拟南芥中过表达该基因能够增强其耐淹没能力，玉米过表达株系也能够增强长期胁迫下的SR，主要表现为增强不定根的形成和调控抗氧化子水平。玉米过表达株系转录组分析表明不定根发育和活性氧平衡相关的基因显著富集。这些结果为ZmERFVII基因参与玉米耐渍性调控提供了直接的证据。.另外，利用368份玉米自交系群体为材料，结合高密度的SNP基因型，全基因组关联分析方法共鉴定到110个SNP-性状间关联，单个SNP能够解释的表型变异为2.88%-10.67%。这些关联位点位于16个不同的基因组区域，其中有14个基因组区域与前人定位到的耐渍性QTL共定位。对其中一个关键候选基因GRMZM2G110141重测序分析发现，该基因5’-UTR的变异以及mRNA的表达水平与渍水胁迫下的叶损伤表型显著关联。进而利用两个不同的重组自交系群体鉴定并验证了该基因的优良等位基因能够显著增强玉米苗期耐渍性。总之， GRMZM2G110141和ZmEREB180的优良等位基因及开发的功能标记均可用于玉米苗期的耐渍性遗传改良，培育耐渍性新品种。