量性状基因座stiff2控制着玉米的茎秆抗弯强度和根系结构

《Journal of Genetics and Genomics》：The quantitative trait locus stiff2 controls stalk bending strength and root architecture in maize

　　

钟书阳|徐乐|张志海|李岩|林忠伟

中国农业大学作物遗传育种系，玉米生物育种国家重点实验室；国家玉米改良中心，北京100193，中国

摘要

茎秆倒伏是全球玉米生产面临的主要威胁，会导致巨大的年度产量损失。玉米的茎秆抗弯强度与抗倒伏能力密切相关，但其遗传基础至今仍不甚明了。在本研究中，我们通过QTL作图和关联作图相结合的方法，确定了一个与已知花期基因ZmCCT相关的数量性状位点stiff2。在ZmCCT的启动子区域插入5千碱基对长的转座元件会显著降低茎秆抗弯强度，而通过转基因技术提高ZmCCT的表达则能显著增强这一强度。基因调控网络分析表明，ZmCCT可能间接调控一系列下游基因，这些基因包括负责氮运输的nrt5、参与茎秆伸长的Tu1、d8和d9、负责茎秆加厚的ub2、ub3和ch1，以及参与木质素生物合成的myb69和bm4。这些基因共同作用提升了茎秆强度，增强了地上部分的抗倒伏能力。此外，stiff2不仅影响地上部分的茎秆抗弯和折断能力，还影响根系结构，从而提升地下部分的抗倒伏能力。stiff2及其下游靶基因的发现为玉米抗倒伏的遗传控制提供了重要见解，也为培育抗倒伏品种提供了有力工具。

引言

玉米茎秆倒伏主要表现为三种形式：茎秆弯曲、茎秆折断和根系倒伏（图1A）。茎秆弯曲和折断主要与茎秆的形态学和生化特性有关，如茎秆直径、果皮厚度以及细胞壁的组成，比如纤维素和木质素含量（Robertson等人，2017年）。而根系倒伏则更多与根系结构相关。根系角度（Zheng等人，2023年）、根系数量以及根系强度，尤其是支撑根的这些特性，会显著影响植物在土壤表面的固定力（Zhang等人，2018年）（图1A）。这类倒伏可能在玉米生长的任何阶段发生（Zhang等人，2021年）。例如，在抽雄期，茎秆迅速伸长，但细胞壁中的纤维素和木质素尚未完全沉积，且支撑根仍未发育成熟，这使得植物更容易受到强风等环境因素的影响。在生长后期，由于籽粒重量增加且茎秆机械强度下降，植物更容易倒伏，这对产量构成严重威胁（Zhang等人，2020年）。因此，在生长后期提升玉米的抗倒伏能力仍是玉米育种工作的重点。

在不同环境下，玉米的茎秆弯曲和折断与茎秆机械强度之间存在很强的相关性（Sekhon等人，2020年）。然而，测量茎秆强度却面临诸多挑战，目前还难以找到既准确、无破坏性、可重复又适合大规模应用的检测方法（Zhang等人，2020年）。目前较为常用的SBS评估方法比其他方法，如自然倒伏评级、果皮硬度测定法（Pedersen和Toy，1999年）、三点弯曲试验以及X射线计算机断层扫描，效果更好（Zhang等人，2020年）。该方法已被证明具有较好的重复性，也适合大规模应用（Zhang等人，2020年）。此外，SBS与不同环境条件下的实际倒伏率高度相关，因此可作为预测田间表现的良好指标（Sekhon等人，2020年）。相比之下，根系倒伏的研究还相对较少，目前还没有有效的办法来量化根系抗倒伏能力。

茎秆倒伏是一种典型的复杂性状，迄今为止的大多数遗传学研究都表明，茎秆强度受多个QTL的控制（Flint-Garcia等人，2003年；Hu等人，2013年；Peiffer等人，2013年；Wang等人，2020年）。一项重要的突破是发现了位于6号染色体上的stiff1基因，该基因的启动子区域存在一个较大的转座元件，这一元件能够提升玉米的茎秆强度（Zhang等人，2020年）。在根系倒伏方面，大规模研究也发现根系结构与地上部分的生长时机之间存在密切关联（Zhang等人，2018年）。土壤中的冠根数量以及地上部分的支撑根数量都会受到花期基因的影响而发生变化（Zhang等人，2018年）。在玉米驯化过程中，支撑根数量的增加可能显著提升了玉米的根系抗倒伏能力（Zhang等人，2018年）。尽管取得了这些进展，但调控茎秆强度和根系抗倒伏能力的分子机制仍不明确。

在本研究中，通过大规模的表型比较，我们发现开花时间在决定茎秆抗弯强度方面起着核心作用。我们结合QTL作图和关联作图技术，找到了一个与ZmCCT基因相关的、控制茎秆抗弯强度的QTL，即stiff2。在ZmCCT的启动子区域插入5千碱基对长的转座元件会显著降低茎秆抗弯强度，而通过转基因技术提高ZmCCT的表达则能显著增强这一强度。进一步的基因调控网络分析表明，ZmCCT可能间接调控九个标记基因来控制茎秆抗弯强度：负责氮转运的nrt5、参与茎秆发育的Tu1、d8和d9、负责茎秆加厚的ub2、ub3和ch1，以及负责细胞壁中木质素沉积的myb69和bm4。这个ZmCCT基因调控网络提升了玉米的茎秆抗弯强度，进而提高了其抗倒伏能力。此外，stiff2不仅影响地上部分的茎秆抗弯和折断能力，还影响根系结构，从而提升地下部分的抗倒伏能力。stiff2及其下游靶基因的发现将极大加速玉米抗倒伏品种的培育进程。

章节节选

茎秆抗弯强度与玉米其他农艺性状之间的关系

为了研究茎秆抗弯强度与玉米其他农艺性状之间的关联，我们对玉米关联作图群体中的22个性状进行了皮尔逊相关性分析（图S1），该群体包含260个自交系，来源于282个关联群体（Flint-Garcia等人，2005年）。这些性状包括茎秆抗弯强度、抽雄日数、吐丝日数、株高、穗位高、雄穗长度、主穗轴长度、雄穗分枝数、叶长、叶宽、上叶角、中叶角、种子淀粉含量以及种子蛋白质含量。

如何利用stiff2提升玉米抗倒伏能力而不产生负面效应

在本研究中，通过大规模的表型比较，我们发现22个性状中，开花时间与茎秆抗弯强度的相关性最强（图1B），而与已知花期基因ZmCCT对应的茎秆抗弯强度QTL stiff2则能够控制玉米的倒伏现象（图2）。这些结果表明，开花时间在玉米抗倒伏过程中起着重要作用。开花时间能够协调植物的营养生长和生殖生长，同时调节碳水化合物在源器官和库器官之间的分配。

材料与方法

本研究使用的重组自交系群体F7是通过两个玉米自交系B73和Ki11杂交培育而成的。这个包含189个自交系的群体源自嵌套关联作图群体（Buckler等人，2009年）。此外，本研究还使用了包含282个关联群体中的260个自交系的玉米全基因组自交系群体（Flint-Garcia等人，2005年）（表S1）。这两个群体均采用随机完全区组设计进行种植，每个处理重复3次。

未引用参考文献

Zhong等人，2021年。

数据可用性

本研究的相关数据可在论文及其补充资料文件中找到。RNA-seq数据已存储在国家基因组数据中心，存储编号为PRJCA042148，访问地址为https://ngdc.cncb.ac.cn/。

CRediT作者贡献说明

钟书阳：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、可视化分析、结果验证、方法设计、实验研究、数据整理、概念构建。徐乐：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、结果验证、方法设计、实验研究、数据整理。张志海：实验研究、方法设计、数据整理。李岩：方法设计。林忠伟：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、研究指导、资金获取、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

感谢中国农业大学的徐明良先生慷慨提供ZmCCT转基因材料。本研究得到了中国国家关键研发计划的资助（项目编号2023YFD1200501，负责人为Z.L.）。