表型组|表型组学技术：精准挖掘玉米抗旱基因( 二 ) 干旱胁迫|植物抗逆|转录组|生

在实际应用中，通过高光谱技术可无损提取作物叶绿素、水分等生理生化和抗旱相关的代谢物指标。研究人员自主研发的高通量高光谱成像系统最高效率可达44秒/株。
CT成像的基本原理是高能粒子的穿透能力。作物不同器官组织对X射线吸收存在差异，以CT重建原理技术将作物内部不同器官组织的吸收差异重建出来。
在实际应用中可以无损检测作物内部结构及相应表型性状，比如茎壁厚、茎壁面积、维管束面积等茎秆内部表型性状。据悉，他们自主研发的高通量CT成像系统最高效率可达5分钟/株。
RGB成像可以反映植物的大小、颜色、形态、纹理等信息，在实际应用中为面扫描模式。他们自主研发的RGB成像系统最高效率可达37秒/株。
在此基础上，研究人员还自主研发多光学图像批处理程序，分析并提取高光谱、CT、RGB图像性状。通过筛选，最终获得10080个与干旱胁迫相关的图像性状。
冯慧解释道，图像性状是指通过光学检测手段获得作物图像信息，并研发图像分析算法提取相应的图像相关特征，使其数字化。比如玉米抗旱研究中用到的数字化生物量、数字化持绿、数字化卷叶、水分含量、可溶性糖等性状。
复杂数量性状遗传解析的典型范例
论文共同第一作者、华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室博士生伍玺介绍，通过筛选获得干旱胁迫相关的图像性状之后，他们利用全基因组关联分析鉴定到2318个与干旱胁迫相关的候选基因。
通过一系列筛选，最终选择2个未知抗旱功能的基因ZmcPGM2（参与糖代谢）和ZmFAB1A（参与磷酸肌醇代谢）来进行抗旱功能的验证。
“它们参与植物关键的代谢通路，在植物抗逆应答过程中发挥重要作用。”伍玺说。利用上述基因的突变体，他们发现在干旱胁迫下突变体相比于野生型有更好的存活率、更高的水分利用效率、更慢的叶片失水率以及更短的散粉—吐丝间隔期。
基于突变体的研究表明，ZmcPGM2和ZmFAB1A能够调控相应表型并负调控玉米抗旱。
值得注意的是，他们对比了前人的研究结果，总结了在玉米驯化和改良中受到选择的位点。
代明球介绍，他们鉴定到的玉米抗旱候选基因大都不在栽培玉米种中存在，这说明抗旱基因在玉米驯化和改良中没有受到选择。
他们猜测，育种家在选育玉米材料的过程中，往往追求高产，重点关注产量相关性状，忽略植物的抗逆性。而一般来说，产量和抗逆性是拮抗的。因此，在玉米驯化和改良的过程中，这些抗旱位点丢失了。“未来可以利用这些丢失的位点来改良玉米的耐旱性。”代明球说。
杨万能介绍，他们这套新方法从群体水平结合多种高通量光学表型手段，实现了高通量全生育期获取玉米表型，并筛选出干旱相关图像表型，再结合多组学（代谢组、转录组）数据及全基因组关联分析进行玉米抗旱候选基因的高效挖掘。
“这项新技术再一次证明了结合高通量表型技术和全基因组关联分析，可精准高效解析复杂性状遗传机制。新技术有潜力推广应用于小麦、油菜等其他作物抗旱遗传育种研究。”杨万能说。
田丰表示，该研究是表型组、基因组、代谢组、转录组等多维组学大数据整合的重要尝试，为复杂数量性状遗传解析和基因鉴定提供了典型范例。（李晨）
【表型组|表型组学技术：精准挖掘玉米抗旱基因】相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s13059-021-02377-0

表型组|表型组学技术：精准挖掘玉米抗旱基因( 二 )

猜你喜欢