TAG | 四川农业大学唐祈林团队鉴定玉米渐渗系萌芽期耐冷关键基因

近日，四川农业大学玉米研究所唐祈林教授团队在囯际植物遗传育种著名期刊Theoretical and Applied Genetics在线发表了题为“QTL-seq and Transcriptomic Integrative Analyses Reveal Two Positively Regulated Genes That Control the Low-temperature Germination Ability of MTP-Maize Introgression Lines”的研究论文。该研究以创制的MTP-玉米渐渗系为材料定位克隆了来源于近缘野生材料的芽期耐冷关键基因，对其功能及调控机理进行了分析。

玉米（Zea mays ssp. mays）在播种期遭遇低温冷害是田间条件下最常见、最难控制的因子，特别是早春或倒春寒冷害造成发芽率低、出苗迟缓、苗弱和缺苗等问题，严重制约着玉米生产，因此，提高种子耐低温发芽出苗是玉米遗传育种的重要目标之一。为了从玉米近缘野生材料中发掘强耐冷关键基因，唐祈林团队利用远缘杂交和多倍化等方法，创制出了聚合玉米（M）、四倍体多年生大刍草（P）和摩擦禾（T）三物种基因组于一体的玉米-大刍草-摩擦禾异源六倍体MTP（注：2n=20M+20P+34T=74，玉米标记为M、摩擦禾为T、大刍草为P）（Yan et al，2019；Iqbal et al，2019；2023），以MTP为桥梁材料与玉米杂交、回交将大刍草和摩擦禾的耐冷遗传物质导入到玉米种质中，创制出系列MTP-玉米渐渗系群体材料。

作者对MTP-玉米渐渗系群体在芽期进行了10℃低温的耐冷性鉴定，筛选出强耐冷渐渗系MIL-IB030（图1）。以强耐冷型材料MIL-IB030和冷敏感型材料Mo17为亲本构建F2群体，利用Illumina平台对Mo17 、MIL-IB030、RM-bulk（抗池）和SM-bulk（感池）进行高通量测序，将控制玉米渐渗系耐低温出苗能力的主效QTL锚定在1号染色体上的SSR标记phi227562-bnlg1502之间和10号染色体上的SSR标记umc1196-umc2021之间，并将主效QTL分别命名为qCS1-1和qCS10-1，这为候选基因精细定位奠定了基础。

图1

除此之外，还对强耐冷型材料MIL-IB030和高冷敏感型材料B73在10℃低温黑暗发芽27d和25℃常温发芽7d后的根系进行RNA-seq测序。通过QTL-seq与RNA-seq联合分析，预测出ZmbZIP113和ZmTSAH1是控制MIL-IB030耐低温出苗能力的关键候选基因。以B73和MIL-IB030的cDNA为模板对候选基因的编码区和启动子区进行扩增，结果表明，ZmbZIP113和ZmTSAH1编码区域和启动子区域存在多处的非同义突变。以MTP、四倍体多年生大刍草、B73和MIL-IB030的cDNA为模板进行候选基因同源克隆对比分析，发现两个候选基因来自四倍体多年生大刍草，且在自然进化中相对保守。亚细胞定位结果表明，ZmbZIP113表达于细胞核，ZmTSAH1表达于叶绿体。功能验证结果表明，两个候选基因均正向调控玉米渐渗系的低温萌发能力（图2）。

综上，该研究证明，通过MTP桥梁材料可以把四倍体多年生大刍草和摩擦禾的耐冷重要抗逆性状导入到栽培玉米中，为玉米耐冷性的遗传改良提供了重要的遗传材料和新基因资源。

图2

四川农业大学玉米研究所博士生何如钰和硕士生郑军军为该论文共同第一作者，唐祈林教授为该论文的通讯作者。唐祈林团队成员潘泽阳、陈羽、李晓锋博士、李影正博士、周阳博士、杨春燕博士、西南民大青藏高原研究所程明军博士、四川省农业科学院作物研究所李燕博士、绵阳师范学院李杨博士以及四川省农业科学院蚕业研究所严旭博士等也参与了该项工作。本研究得到国家自然科学基金、四川省科技创新创业苗子工程重点项目等的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s00122-023-04362-6