2021年6月24日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Genome Biology 在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和湖北省洪山實(shí)驗(yàn)室代明球教授與楊萬(wàn)能教授為通訊作者的題為“Using high-throughput multiple optical phenotyping to decipher the genetic architecture of maize drought tolerance”的研究論文。

該研究利用高通量多光學(xué)表型組技術(shù)，對(duì)368份玉米自然群體材料在多個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期、正常澆水和干旱脅迫下的玉米表型進(jìn)行連續(xù)無(wú)損檢測(cè)，獲得了豐富的與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)的image-based traits （i-traits）。

結(jié)合GWAS分析鑒定到大量與干旱脅迫相關(guān)的候選基因和QTLs，構(gòu)建了基因與i-traits關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，揭示了玉米抗旱的遺傳基礎(chǔ)以及馴化和改良中丟失的潛在抗旱位點(diǎn)，為玉米抗旱遺傳改良和抗旱育種提供了新的基因資源和豐富的遺傳“寶庫(kù)”。

在世界范圍內(nèi)，玉米是重要的糧食作物，也是重要的飼料和工業(yè)原料。近年來(lái)，隨著氣候的變化無(wú)常，人口的不斷增長(zhǎng)，水資源逐漸緊缺，干旱也變得日益頻繁。干旱是造成玉米減產(chǎn)的主要自然災(zāi)害，嚴(yán)重的干旱甚至?xí)?dǎo)致玉米顆粒無(wú)收，造成巨大損失。因此，如何有效的提高玉米的耐旱性，培育抗旱新品種是保障糧食安全的迫切需求。

玉米的抗旱研究離不開(kāi)表型的觀察和檢測(cè)，但是由于“表型瓶頸”，即傳統(tǒng)的干旱表型性狀獲取手段因?yàn)榇嬖跍y(cè)量通量低、耗時(shí)費(fèi)力、精度不高、經(jīng)常破壞性測(cè)量等不足，目前已經(jīng)不能滿足蓬勃發(fā)展的植物抗逆基因組學(xué)研究的需求，嚴(yán)重阻礙了玉米抗旱資源的挖掘。

近年來(lái)，智能化、高通量、無(wú)損測(cè)量為主要特征的表型組學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得多時(shí)空尺度表型檢測(cè)成為可能，目前，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)作物在室內(nèi)和室外及全生育期表型的系統(tǒng)檢測(cè)。

本研究利用368份玉米自然群體材料，分干旱和對(duì)照組，對(duì)玉米進(jìn)行多光譜檢測(cè)和圖像的采集，獲得多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的光譜圖像（10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的RGB圖像，4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的高光譜圖像，3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的CT圖像）；結(jié)合自主研發(fā)的圖像處理程序，分析并提取i-traits，最終獲得上萬(wàn)個(gè)與干旱脅迫相關(guān)的i-traits。

通過(guò)篩選獲得干旱脅迫相關(guān)的i-traits之后，利用全基因組關(guān)聯(lián)（GWAS）分析鑒定到兩千多個(gè)與干旱脅迫相關(guān)的候選基因；結(jié)合候選基因通路富集分析結(jié)果構(gòu)建了基因和i-traits的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

為了驗(yàn)證候選基因在調(diào)控光譜表型和抗旱性上的生物功能，進(jìn)一步從候選基因中篩選、確定了2個(gè)未知抗旱功能的基因ZmcPGM2（參與糖代謝）和ZmFAB1A（參與磷酸肌醇代謝）?；谕蛔凅w的研究表明，ZmcPGM2（參與糖代謝）和ZmFAB1A能夠調(diào)控相應(yīng)光譜表型并負(fù)調(diào)控玉米抗旱。

進(jìn)一步對(duì)篩選獲得的大量與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)的候選基因和i-traits進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，這些候選基因和i-traits能夠很好的預(yù)測(cè)玉米的干旱表型，預(yù)示著它們?cè)谟衩椎目购涤N改良中可能具有重要的應(yīng)用價(jià)值，可作為潛在的生物標(biāo)記。

綜上所述，本研究通過(guò)高通量多光學(xué)表型收集和GWAS分析，鑒定到大量與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)i-traits以及調(diào)控這些i-traits和抗旱性的候選基因，它們?cè)谟衩椎目购涤N中可能具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本研究拓寬了抗旱相關(guān)研究和基因挖掘的思路，為玉米抗旱遺傳改良和抗旱育種提供了新的基因資源和豐富的遺傳“寶庫(kù)”。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生伍璽和信息學(xué)院馮慧老師為論文的共同第一作者，代明球教授和楊萬(wàn)能教授為共同通訊作者。

本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際（地區(qū)）合作研究項(xiàng)目（32061143031）和面上項(xiàng)目（31770397、31800305）、國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2016YFD0100101-18）、北京市杰出青年科學(xué)家計(jì)劃（BJWZYJH01201910019026）和中央高校基礎(chǔ)研究基金（2662020SKPY009，2662017PY058、2662017QD044、2662020ZKPY017、2662017QD044）的資助。

編輯：jq