中国科学家Nature Genetics发表GWAS研究新成果
生物通/何嫱 · 2016/08/19
来自中国科学院植物研究所、中国农业大学等处的研究人员证实,ZmVPP1基因遗传变异有助于玉米幼苗抗旱性。这一研究发现发布在8月15日的《自然遗传学》(Nature Genetics)杂志上。


本文转载自生物通,原标题“中国农大、中科院Nature Genetics携手发布GWAS研究新成果”。

来自中国科学院植物研究所、中国农业大学等处的研究人员证实,ZmVPP1基因遗传变异有助于玉米幼苗抗旱性。这一研究发现发布在8月15日的《自然遗传学》(Nature Genetics)杂志上。

中国科学院植物研究所的秦峰(Feng Qin)研究员,和中国农业大学的杨小红(Xiaohong Yang)教授是这篇论文的共同通讯作者。秦峰研究员的主要研究工作则包括:玉米抗旱基因的克隆和功能分析,RING类型蛋白泛素化E3 连接酶在植物抗逆和发育中的作用。近年来在Plant Cell、Plant Journal、Plant Physiology、PNAS上发表论文数十篇。杨小红教授的主要研究方向包括玉米籽粒营养品质和主要产量性状的遗传基础研究,玉米籽粒营养品质和主要产量性状的分子育种。

干旱胁迫常常影响作物的生长发育,造成作物严重减产。全球干旱、半干旱地区约占土地总面积的36%,占耕地面积的43%。我国的干旱、半干旱地区主要分布在华北、西北和内蒙古等地区,其面积约占全国土地面积的二分之一,干旱对农作物造成的损失在所有非生物胁迫中占首位。玉米是我国的第三大粮食作物,又是需水较多、对水分胁迫比较敏感的作物,干旱是影响玉米产量的重要限制因素,一般可使玉米减产20-30%。因此,如何尽快改良玉米品种,提高其抗旱性和准确地鉴定其抗旱性,成为玉米遗传育种工作者关注的重要课题。

2013年,秦峰研究组以玉米ZmDREB基因家族为研究对象,对玉米B73基因组进行了全面分析,分离克隆了18个ZmDREB基因。研究发现,ZmDREB2.7基因与玉米抗旱性的遗传变异呈现极显著相关,说明该基因是玉米中重要的抗旱基因。这一发表在PLoS Genetics上的研究成果为玉米耐旱的分子设计育种提供了新的基因资源和选择靶点。

2015年,秦峰研究员领导中国科学院植物研究所的研究人员通过全基因组关联分析(GWAS)发现,微小反向重复转座子(MITE)插入NAC基因(ZmNAC111)的启动子,与玉米抗旱性的天然变异有紧密的关系。这一成果发表在Nature Communications杂志上。

在这篇Nature Genetics新文章中,研究人员报告称通过在幼苗期对玉米耐旱性进行GWAS研究鉴别出了83个遗传变异,42个候选基因。植物液泡焦磷酸酶(vacuolar pyrophosphatase, VPP)是结合在植物液泡膜上的一类焦磷酸酶,具有焦磷酸酶活性和质子泵功能。可以将焦磷酸分解,把H+从细胞质泵入到液泡中,建立起跨膜H+梯度,为Na+/H+逆向转运蛋白提供动力。研究人员发现,GWAS峰值信号表明一种液泡型H+焦磷酸酶的编码基因ZmVPP1其遗传变异最显著地有助于耐旱性状。

进一步分析证实,该基因启动子区域一个366-bp的插入,其包含3个MYB顺式调控元件,在耐旱基因型中导致了干旱可诱导的ZmVPP1表达。ZmVPP1表达增高的转基因玉米显示耐旱性增强,其极有可能是由于提高了光合效率和根系发育所致。

因此,这一信息提供了有关玉米耐旱性遗传变异的一些重要遗传学见解。鉴别出的位点或基因可以作为遗传工程和玉米性状改良选择的直接靶点。

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    Maize production is threatened by drought stress worldwide. Identification of the genetic components underlying drought tolerance in maize is of great importance. Here we report a genome-wide association study (GWAS) of maize drought tolerance at the seedling stage that identified 83 genetic variants, which were resolved to 42 candidate genes. The peak GWAS signal showed that the natural variation in ZmVPP1, encoding a vacuolar-type H+ pyrophosphatase, contributes most significantly to the trait. Further analysis showed that a 366-bp insertion in the promoter, containing three MYB cis elements, confers drought-inducible expression of ZmVPP1 in drought-tolerant genotypes. Transgenic maize with enhanced ZmVPP1 expression exhibits improved drought tolerance that is most likely due to enhanced photosynthetic efficiency and root development. Taken together, this information provides important genetic insights into the natural variation of maize drought tolerance. The identified loci or genes can serve as direct targets for both genetic engineering and selection for maize trait improvement.

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