玉米Na+/H+交换基因中发生的4个碱基对的自然缺失改变了玉米对盐胁迫的耐受性

《Plant Stress》：A 4-bp natural deletion of maize Na+/H+ exchanger gene alters maize salt stress tolerance

耐盐基因鉴定与分子育种应用。

　　土壤盐碱化是全球范围内影响植物生长和农作物产量的重要环境限制因素。随着农业实践不当、工业污染和全球气候变化的加剧，盐碱土壤的面积正在不断扩大，严重威胁着人类的粮食安全。为了应对这一挑战，科学家们致力于探索植物耐盐性的分子机制，并开发出更耐盐的作物品种。本文研究了玉米中一个重要的耐盐相关基因——ZmSOS1，通过系统分析其在玉米和拟南芥中的功能，以及利用基因标记辅助育种技术改良耐盐性玉米品种。

### 耐盐性与基因研究的重要性

土壤盐碱化会导致植物细胞内钠离子（Na?）的异常积累，从而引发离子毒性、渗透损伤和氧化应激等不良效应。植物在进化过程中发展出多种适应盐碱环境的机制，包括通过钠离子选择性转运蛋白维持细胞内离子平衡，以及通过积累渗透调节物质来提高渗透耐受性。其中，SOS（Salt Overly Sensitive）信号通路是植物耐盐性研究中的一个重要方向，该通路涉及SOS1、SOS2和SOS3等多个基因，这些基因在调节Na?的跨膜运输和细胞内离子平衡中起关键作用。

在玉米中，耐盐性基因的研究尚处于初步阶段。尽管已有一些基因被鉴定为与耐盐性相关，但其中大多数属于HKT（High-K?/Low Na?）家族，如ZmHKT1，它们通过调控根系和地上部之间的Na?分布，减少地上部的Na?积累。然而，关于玉米中通过保护植物免受Na?毒性来提高耐盐性的关键基因，尤其是SOS通路相关基因，研究仍显不足。因此，识别并克隆玉米中耐盐性相关基因具有重要的理论和实践意义。

### ZmSOS1基因的鉴定与功能验证

本文通过一种称为BSR-Seq（Bulked Segregant RNA-Seq）的方法，结合精细定位技术，克隆了一个新的玉米耐盐相关基因——ZmSOS1。该基因编码一种质膜上的Na?/H?交换蛋白，其功能与拟南芥中的AtSOS1基因相似。研究发现，在盐敏感品种D9H中，ZmSOS1编码区存在一个4个碱基对的缺失变异，导致蛋白质的截断，从而降低了其耐盐性。通过构建EMS（乙基甲烷磺酸盐）诱导的突变体zmsos1-1和zmsos1-2，进一步验证了ZmSOS1在玉米耐盐性中的关键作用。这两个突变体在盐胁迫下表现出严重的耐盐性缺陷，说明ZmSOS1的突变可能导致玉米的盐敏感性。

为了验证ZmSOS1的功能，研究团队进行了过表达实验。结果表明，ZmSOS1的过表达显著提高了玉米幼苗的耐盐性。此外，ZmSOS1能够挽救拟南芥sos1-1突变体的盐敏感表型，并且在酵母细胞中可以被AtSOS2和AtSOS3激活，表明ZmSOS1通过保守的SOS信号通路提高玉米的耐盐性。该通路的主要功能是促进根细胞中的Na?外排，减少地上部的Na?积累，从而维持细胞内的离子平衡。

### ZmSOS1的分子标记与育种应用

研究还发现，ZmSOS1基因中4个碱基对的缺失变异在自然群体中非常罕见，但在一个重要的异质群组——由X1132x衍生的自交系中较为常见。这个异质群组在中国玉米杂交种的培育中具有重要地位，如Jingke968、Jingnongke728和Jingke665等。因此，这种4个碱基对的缺失变异可能源于X1132x杂交种的遗传背景。

基于这一发现，研究团队设计了一个基于4个碱基对插入/缺失（InDel）的分子标记，用于筛选具有ZmSOS1优势等位基因的玉米自交系。该标记被成功应用于标记辅助选择（MAS）育种，用于改良盐敏感的玉米品种。通过回交和MAS策略，将优势等位基因引入盐敏感品种中，显著提高了其耐盐性。实验结果表明，改良后的玉米品种在盐胁迫下表现出更好的生长表现和更高的产量。

### ZmSOS1的表达模式与亚细胞定位

通过RT-PCR和qRT-PCR分析，研究发现ZmSOS1在盐胁迫下，根和地上部的表达水平均显著上调。这表明ZmSOS1在应对盐胁迫时具有重要的调控作用。进一步的亚细胞定位实验显示，ZmSOS1主要定位于质膜，与拟南芥的AtSOS1功能相似。此外，通过原位杂交技术，研究还发现ZmSOS1在根尖表皮细胞和根部皮层细胞中特异性表达，同时在叶鞘的维管束细胞和幼嫩叶片中也有表达。这些表达模式表明，ZmSOS1在玉米根系与外界环境之间的Na?交换以及根到地上部的Na?运输中起着关键作用。

### ZmSOS1在不同物种中的功能保守性

研究还通过构建酵母中的SOS信号通路，验证了ZmSOS1在不同物种中的功能保守性。将ZmSOS1与AtSOS2和AtSOS3一起在酵母AXT3K菌株中表达，发现这些转基因酵母在高浓度NaCl胁迫下表现出更强的耐盐性。这表明ZmSOS1可能通过与AtSOS2和AtSOS3相互作用，激活其功能，从而提高玉米的耐盐性。此外，研究团队还发现，在拟南芥中，AtSOS1主要定位于质膜，但在盐胁迫下会重新定位到液泡，这可能与其功能调控机制有关。相比之下，ZmSOS1在正常条件下主要定位于质膜，而在盐胁迫下可能也会发生类似的变化，但这一现象尚未完全明确。

### 自然群体中ZmSOS1的变异情况

为了进一步了解ZmSOS1在自然群体中的变异情况，研究团队使用4个碱基对InDel的KASP标记对489个玉米自交系、133个玉米地方品种和52个玉米近缘野生种（teosintes）进行了筛查。结果显示，自然群体中几乎没有4个碱基对缺失的等位基因，只有两个CIMMYT自交系（CIMBL50和CIMBL84）携带这一变异。这表明，ZmSOS1中的4个碱基对缺失是一个罕见的等位基因，可能源于未被充分研究的玉米基因型，并在育种过程中被保留下来。

此外，研究还发现，ZmSOS1基因在自然群体中存在多个单核苷酸多态性（SNPs），但这些SNPs的等位基因频率普遍较低，且未与4个碱基对缺失等位基因形成连锁关系。这说明，这些SNPs可能是假阳性结果，或者与ZmSOS1的耐盐性没有直接关联。因此，ZmSOS1中的4个碱基对缺失可能是盐敏感性的重要遗传基础。

### 未来展望与研究意义

本研究的成果为玉米耐盐性基因的分子机制提供了新的见解，并为耐盐玉米的育种提供了有效的分子标记。通过识别ZmSOS1基因的变异，研究团队能够开发出高效的MAS策略，用于改良盐敏感玉米品种。此外，ZmSOS1的功能验证也为其他作物中SOS通路相关基因的研究提供了参考。未来，进一步研究ZmSOS1的调控机制及其与其他耐盐基因的相互作用，将有助于更全面地理解植物耐盐性的分子基础，并推动更高效的耐盐作物育种策略。

总之，本文通过系统的基因鉴定、功能分析和育种应用，揭示了ZmSOS1在玉米耐盐性中的核心作用。这一发现不仅为玉米耐盐性的遗传基础提供了新的视角，也为利用自然变异进行分子育种提供了重要的工具。随着更多玉米基因组数据的积累和分子育种技术的不断进步，ZmSOS1等关键耐盐基因的应用前景将更加广阔，有望为全球粮食安全做出更大的贡献。