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研究人员通过 GWAS 和转录组分析，挖掘玉米耐旱候选基因，发现 ZmGRAS15 可增强玉米耐旱性，为育种提供资源。
## 玉米耐旱性研究：解锁关键基因，助力农业发展
在广袤的田野里，玉米作为全球广泛种植的重要作物，却常常遭受干旱的威胁。干旱就像一场无情的 “灾难”，严重影响着玉米的生长和产量。据联合国粮食及农业组织（FAO）2022 年的数据显示，全球每年因干旱导致的玉米产量损失高达 15% - 20%。这不仅让农民们的辛勤劳作付诸东流，也对全球粮食安全构成了严峻挑战。
玉米的耐旱性是一个复杂的 “谜题”，涉及到形态、生理和分子等多个层面的机制。而且，玉米基因组的复杂性以及耐旱机制的多样性，使得挖掘耐旱基因变得困难重重。以往的研究虽然已经发现了一些与耐旱相关的基因，但对于玉米耐旱的遗传基础，人们仍然知之甚少。在这样的背景下，中国农业科学院作物科学研究所的研究人员决心深入探索，开展了一项极具意义的研究。
研究人员采用了全基因组关联研究（Genome-Wide Association Studies，GWAS）和转录组分析等前沿技术，对 362 份玉米自交系进行了研究。他们的目标是找出与玉米耐旱性相关的基因，为培育耐旱玉米品种提供有力的支持。最终，这项研究取得了重要突破，相关成果发表在《BMC Genomics》杂志上。
研究技术方法
为了开展这项研究，研究人员运用了多种关键技术。首先是 GWAS 技术，通过对 362 份玉米自交系进行基因分型，研究人员获得了大量的单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms，SNPs）数据。他们利用这些数据，通过混合线性模型（Mixed Linear Model，MLM）进行分析，从而找出与玉米耐旱性相关的基因位点。其次是转录组分析技术，研究人员选取了 10 份玉米自交系，在不同水分条件下对其进行转录组测序。通过分析基因表达数据，研究人员鉴定出了干旱响应基因，并构建了基因共表达网络。此外，研究人员还运用了加权基因共表达网络分析（Weighted Gene Co-expression Network Analysis，WGCNA）技术，进一步筛选出关键的候选基因。
研究结果
- GWAS 分析：研究人员对 362 份玉米自交系的耐旱性进行了表型分析，用存活率来衡量玉米苗期的耐旱性。他们发现，玉米群体中的耐旱性存在显著的表型差异。利用 MLM 模型和 8,219,596 个高质量 SNPs，研究人员进行了 GWAS 分析。在暗示性阈值 P<1×10-5下，他们获得了 178 个相关 SNPs 和 40 个相关位点，共鉴定出 150 个玉米耐旱候选基因。这些候选基因涉及多个生物学过程，包括代谢过程、生物调节、生殖过程、刺激响应和信号传导等。
- 转录组测序分析：研究人员对 5 份耐旱和 5 份敏感的玉米自交系在正常浇水（Well-Watered，WW）和干旱胁迫（Water-Stressed，WS）条件下进行了转录组分析。通过对土壤含水量和叶片相对含水量（Relative Water Content，RWC）的评估，确定了干旱处理的效果。测序结果显示，共获得了超过 22.7 亿条高质量的 clean reads。PCA 分析表明，干旱胁迫影响了玉米的基因表达。通过差异表达分析，研究人员鉴定出了 7,278 个干旱响应基因，这些基因主要富集在与刺激响应、非生物刺激响应和缺水响应相关的注释中。
- 基因共表达网络分析：研究人员利用 WGCNA 构建了干旱响应基因的共表达网络。在干旱处理下，干旱响应基因被聚类成 28 个共表达模块。模块 - 性状相关性分析显示，有 5 个模块与叶片 RWC 显著相关。对其中 MEtan 模块的分析发现，该模块中的基因富集在蛋白质修饰过程、细胞通讯、激酶活性、对外界刺激的响应和代谢过程等方面。在 MEtan 模块中，研究人员还鉴定出了 8 个与耐旱性高度相关的转录因子，这些转录因子可能是重要的耐旱候选基因。
- 候选基因的鉴定与验证：研究人员通过整合 GWAS 和转录组数据，进一步筛选出了 4 个与玉米耐旱性相关的候选基因，分别是 Zm00001d006947、Zm00001d038753、Zm00001d003429 和 ZmGRAS15（Zm00001d003553）。对这些候选基因的表达模式分析表明，它们均受 ABA 和渗透胁迫诱导。研究人员选择 ZmGRAS15 进行进一步的功能验证，结果发现，过表达 ZmGRAS15 的玉米植株在干旱胁迫下的存活率显著提高，且主根长度明显增加。这表明 ZmGRAS15 在提高玉米苗期耐旱性方面发挥着重要作用。
研究结论与意义
这项研究通过 GWAS 和转录组分析，成功鉴定出了 4 个与玉米苗期耐旱性相关的候选基因，其中 ZmGRAS15 的过表达可通过增加主根长度来提高玉米的耐旱性。这些发现为理解玉米耐旱性的遗传基础提供了重要信息，也为玉米耐旱育种提供了宝贵的基因资源。研究中开发的遗传材料、鉴定出的候选基因和单倍型，有望直接应用于耐旱玉米品种的培育，从而提高玉米在干旱环境下的产量，为保障全球粮食安全贡献力量。同时，该研究也为其他作物的耐旱研究提供了借鉴，推动了植物耐旱领域的进一步发展。
