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为解析玉米低温胁迫响应机制，研究人员对 304 份自交系开展全基因组关联分析（GWAS）结合转录组测序，鉴定到耐低温基因 ZmBARK1。其编码蛋白定位于质膜，与拟南芥 AtBAK1 高度同源。EMS 突变体表型验证表明该基因负调控耐低温性，为分子育种提供新靶点。
玉米作为全球重要的粮食作物，起源于热带和亚热带地区，喜高温环境，对低温胁迫极为敏感，尤其是在种子萌发阶段。低温会严重影响玉米种子的活力、幼苗出土率，还会对叶片发育、幼苗光合效率、生理生化变化以及根系发育等产生不利影响，导致不同玉米自交系在低温胁迫下出现明显的形态差异和产量差异。然而，目前关于玉米萌发期耐低温基因的挖掘及机制分析相对有限，因此，开展相关研究对于提高玉米耐低温能力、保障农业生产具有重要意义。
为解决上述问题，国内研究人员开展了玉米萌发期耐低温基因的相关研究。该研究成果发表在《The Crop Journal》上。
研究人员选用了 304 份玉米自交系作为研究材料，其中包括来自不同类群的材料，如 LRC（旅大红骨）、SPT（塘四平头）、Lan（兰卡斯特）等。主要采用了以下关键技术方法：一是全基因组关联分析（GWAS），将 6 个与萌发相关的表型性状（RGR、RSL、RTL、RRSA、RRV、RSVI）与 30 倍重测序获得的基因型数据相结合，以筛选与耐低温相关的单核苷酸多态性（SNP）标记；二是转录组测序（RNA-seq），结合 GWAS 结果，筛选差异表达基因（DEGs）；三是定量实时荧光定量 PCR（qRT-PCR），用于验证候选基因的表达水平；四是利用乙基甲磺酸（EMS）突变体进行功能验证，通过构建突变体并观察其表型变化来确定基因的功能。
3.1 低温胁迫下萌发期性状的表型分析
对 304 份玉米自交系的 6 个耐低温性状进行 F 检验，结果均高度显著。对相对发芽率（RGR）等性状的统计分析表明，部分自交系在低温条件下表现出增强的胚萌发和胚根生长能力，且各性状间存在强正相关关系，说明玉米的萌发特性与生长调控过程密切相关。
3.2 GWAS 及候选 SNP 位点分析
通过 GWAS 分析，在 6 个相对性状中检测到多个与耐低温相关的 SNP 标记，这些 SNP 分布在玉米的 10 条染色体上，其中染色体 4 上的 SNP 数量最多。进一步筛选出 12 个与两个或多个性状相关的候选 SNP，为后续候选基因的挖掘提供了重要线索。
3.3 玉米萌发期耐低温基因的鉴定
在候选 SNP 区域内共鉴定出 68 个基因，结合转录组测序数据，筛选出 4 个在耐低温自交系 B73 和低温敏感自交系 Mo17 中差异表达的基因。其中，Zm00001d053725（即 ZmBARK1）在低温处理下的表达水平在 B73 和 Mo17 中差异显著，且与多个耐低温性状相关。
3.4 候选基因分析与验证
对候选基因进行 GO 和 KEGG 通路分析，发现 ZmBARK1 编码油菜素内酯不敏感 1 相关受体激酶 1（BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1-associated receptor kinase 1），与质膜定位、蛋白磷酸化等功能相关。qRT-PCR 结果与 RNA-seq 结果一致，进一步验证了其差异表达。
3.5 EMS 突变体功能分析确定 ZmBARK1 为耐低温负调控因子
氨基酸序列分析表明，ZmBARK1 与拟南芥中的 BAK1 高度同源，其编码蛋白定位于细胞核和质膜。启动子分析显示其含有多种胁迫响应元件。EMS 突变体 zmbark1 在萌发期和幼苗期均表现出显著增强的耐低温性，说明 ZmBARK1 作为负调控因子参与玉米的耐低温过程。
研究结论与讨论
本研究通过 GWAS 和 RNA-seq 相结合的方法，鉴定出玉米萌发期耐低温基因 ZmBARK1，该基因位于玉米染色体 4 的 bin 4.09 区域，编码的蛋白与拟南芥 AtBAK1 高度同源，定位于质膜，可能参与油菜素内酯（BR）信号通路的调控。EMS 突变体的功能验证表明，ZmBARK1 负调控玉米的耐低温性。
该研究结果不仅为玉米耐低温分子标记辅助育种提供了有潜力的候选基因，也为深入理解玉米响应低温胁迫的调控机制奠定了基础。研究揭示的 ZmBARK1 在 BR 信号通路中的作用，为进一步探索植物激素信号通路与低温胁迫响应的相互关系提供了新的视角，有助于通过基因编辑等手段改良作物的耐低温性状，提高作物在低温环境下的产量和适应性，对保障全球农业生产具有重要的理论和实践意义。
