一个NAC类转录因子调控玉米苞叶层数的功能解析

Maize (Zea mays) husk referring to the leafy outer enclosing the ear, plays an important role in grain production and protecting ear from pathogen infection. In our former studies, the genome-wide association study (GWAS) under different environments has been studied and indicated that the proper morphology of husk layer number is intimately related to grain dehydration rate. Meanwhile, we focus on one of the most significant SNPs associated with husk tier number, which located on a NAC-like transcription factor GRMZM2G004531. This gene has only one copy in maize genome. The decrease in the expression of the candidate gene in three knock-down mutants caused the husk layer number significantly fewer. In this research, we will interpret the genetic and molecular basis of the candidate gene in regulating the natural variation in maize husk layer number by carrying out multifaceted experiments, including gene resequencing, chromatin-immunoprecipitation coupled with high throughput sequencing and transcriptome analysis, and so on. We hope our results will greatly help to facilitate breeding program to cultivate corn varieties prone to mechanized harvest with higher dehydration rate by providing the molecular references in the aspect of husk layer number.

玉米苞叶是着生在穗柄节上由叶鞘转化成的变态叶。适度的苞叶层数有利于产量的形成和防止病虫害。本课题组前期对关联群体多环境研究表明，苞叶层数与籽粒含水量密切相关，因此，适度控制苞叶层数有利于加快收获期籽粒的脱水速率。用同一群体进行的全基因组关联分析（GWAS）发现，与苞叶层数最显著相关的SNP落在GRMZM2G004531上。该基因编码一个NAC类转录因子，在玉米基因组中只存在一个拷贝。GRMZM2G004531的三个突变体的该基因表达量和苞叶层数均显著减少。因此，本文以该基因在玉米苞叶层数调控中的功能解析为目标，利用数量遗传学、分子生物学、生物信息学等多学科分析方法，研究该基因在苞叶层数自然变异中的贡献和作用机理。本研究将有助于阐明玉米苞叶层数调控的分子机制，也将为通过分子辅助育种手段改良苞叶层数，实现玉米籽粒快脱水品种的定向育种提供依据。

玉米苞叶是穗柄节上由叶鞘转化成的变态叶，苞叶层数在产量形成和防止病虫害方面发挥重要作用。前期在关联群体中研究表明，苞叶层数与籽粒含水量密切相关。因此，适度控制苞叶层数有利于加快收获期籽粒的脱水速率。利用同一群体进行的全基因组关联分析（GWAS）发现，与苞叶层数最显著相关的SNP落在NAC类转录因子ZmNAC79上。本课题创制了ZmNAC79的降低表达和过表达植株，验证了该基因对苞叶层数的正调控作用；不同组织RT-PCR的结果表明，ZmNAC79在所有组织中均有表达，苞叶表达量中等，幼穗表达量最高，说明该基因可能在幼穗发育的早期阶段对苞叶层数起到重要的调控作用；亚细胞定位表明ZmNAC79的定位在细胞膜上；转录组分析表明ZmNAC79可能通过调控木质素合成途径的基因，进而影响苞叶层数的发育；候选基因GWAS分析发现两个苞叶层数自然变异的调控位点SNP2048和InDel1073，根据两个显著位点将这些家系分为3个单倍型组（Hap1~3），单倍型Hap3的苞叶层数最多；利用单倍体诱导和幼胚组培染色体加倍技术，构建了2个DH育种群体，QTL定位发现3个QTL，表型贡献率最高的达到21%。本课题发表SCI文章6篇，中文核心期刊2篇，其中第一标注4篇，第二标注4篇。作为第一选育人2019年辽宁省审定玉米新品种1个，沈农大B18（辽审玉20200211），已经转化给辽宁万孚种业有限公司。该品种2021年获得生产许可证，2022年会在辽宁省推广种植。本研究有助于阐明玉米苞叶层数调控的分子机制，也为通过分子辅助育种手段改良苞叶层数，实现玉米籽粒快脱水品种的定向育种提供依据。