玉米耐旱性的分子遗传基础解析

Drought is one of the most important environmental factors affecting maize production in China. This proposal will use a natural maize population including 448 inbred lines to make the genome-wide association mapping and the gene regulation network analysis under drought stress to explore the loci responsible for maize drought tolerance and the molecular mechanism of their functions. At the same time, several Mu-insertional mutants of drought-inducible genes, including ZmCIPK1, ZmCIPK9 and several ZmPP2C genes, and drought-sensitive mutants (sw1 and ls) will be also used to explore the functions of these candidate genes in maize tolerance to drought stress. The results of this research will help us in the understanding of the genetic architecture of maize drought tolerance and supply novel candidate genes in maize improvement for drought tolelrance.

干旱是我国玉米生产面临的首要限制因素。本研究将用448个自交系组成的玉米关联分析群体和高密度的遗传图谱（102万SNP标记），对玉米苗期和开花期的耐旱性进行全基因组关联分析，并结合旱胁迫条件下的基因表达调控网络分析（eQTL），以确定控制玉米耐旱性的关键基因（位点），并剖析其分子遗传基础。同时，我们将通过玉米干旱诱导表达基因突变体（ZmCIPK1、ZmCIPK9和几个ZmPP2C基因）和玉米旱敏感突变体（sw1和ls），解析和验证部分关键候选基因在玉米对干旱胁迫反应中的功能。本研究将有助于我们进一步解析玉米耐旱性的遗传基础，为我国玉米耐旱育种提供理论指导以及具有潜在应用价值的新基因。

玉米是最重要的粮食、饲料和乙醇等相关工业原料兼用作物。由于市场需求的强劲增长，我国的玉米种植面积和总产量近年来先后超过小麦和水稻，成为第一大粮食作物。进一步提高玉米的生产潜力、保持玉米生产的可持续发展对于保障我国粮食安全和能源安全具有十分重要的意义。干旱一直是我国玉米生产面临的首要限制因素（胡瑞法等，2004），频繁发生的旱灾使我国的玉米生产蒙受了巨大损失。据估计，我国约有60％的玉米面积受到干旱胁迫，每年因旱灾而减产15％～20％。目前我国的东北、华北、西北等玉米主产区的水资源严重短缺，已成为制约我国玉米生产的重要因素。因此，通过培育高效节水、耐旱玉米品种，减少玉米生产用水量，已成为提高玉米生产水平的重要途径。本研究利用遗传基础广泛的关联分析群体，解析了玉米耐旱性的分子遗传机理。分别根据玉米苗期和开花期耐旱性评价，鉴定了38个与苗期耐旱性显著关联的基因区段（Seedling stage-associated regions, SARs），138个与田间花期耐旱性显著关联的基因区段（Flowering stage-associated regions, FARs）。这些基因区段的变异分别可以解释苗期耐旱性表型变异的64.9%和花期耐旱性表型变异的34%-49%。在此基础上，课题组克隆了玉米耐旱、耐盐关键基因ls、gl4、CIPK12、CBL9等基因，并研究了这些基因的功能。课题研究结果玉米耐旱基因的大量克隆和功能鉴定以及玉米耐旱性改良奠定了坚实的基础。