JGG｜北京市农林科学院赵久然团队发现过氧化物酶基因ZmPRX38提高玉米抗倒伏性和产量

玉米作为全球重要的粮食作物，在保障粮食安全方面具有重要战略意义。高密度种植条件下，倒伏已成为制约玉米产量和品质的主要问题。增强茎秆强度是提高玉米抗倒伏性的有效手段。然而，茎秆强度的遗传结构较为复杂，目前玉米中克隆到能够影响茎秆强度的基因较少，应用到玉米育种中的更为有限。木质素含量与茎秆强度呈显著正相关，过氧化物酶作为木质素合成途径中的关键酶，其在玉米中的功能研究仍不够系统，尤其是该酶在茎秆抗倒伏性中的作用机制尚不清楚。

近日，Journal of Genetics and Genomics在线发表北京市农林科学院赵久然研究员团队题为“ZmPRX38is required for improving stalk strength and yield in maize”的研究论文。该研究发现过氧化物酶基因ZmPRX38催化苯丙烷途径中木质素单体的形成，促进木质素总量提高，进而提高玉米的抗倒伏性和产量。同时，该研究发现ZmPRX38的不利单倍型在我国玉米骨干种质“黄改群”中普遍存在，提出可通过靶向编辑该单倍型提高“黄改群”种质抗倒伏性的策略。

研究团队对玉米CUBIC群体的茎秆强度性状进行调查，利用关联分析鉴定发现，过氧化物酶基因ZmPRX38为茎秆强度热点区域的候选基因。该基因在营养生长阶段的节间高表达，并定位于细胞膜、胞质和质外体。过量表达该基因显著增加茎秆木质素含量和细胞壁厚度，促使茎秆增粗、茎秆强度提高，同时过量表达植株的根系体积增大，果穗产量也显著提高，表明该基因兼具增强玉米茎秆与根系抗倒伏性并提高产量的潜力。而敲除该基因则表现出相反表型。进一步研究发现，ZmPRX38参与苯丙烷途径中木质素单体的生物合成。此外，利用玉米自然变异群体鉴定出了ZmPRX38基因的5’非翻译区(UTR)、外显子和3’ UTR的三个变异位点，它们共同决定ZmPRX38的功能。虽然91.46%的玉米自交系含有ZmPRX38有利单倍型，但我国玉米独特的种质资源“黄改群”几乎都含有其不利单倍型，而“黄改群”种质的茎秆强度普遍较弱，表明该单倍型可能是导致“黄改群”种质茎秆抗倒伏性差的主要因素之一。因此该研究提出，通过定向改良ZmPRX38在“黄改群”中的不利单倍型将是一种提高“黄改群”种质抗倒伏性和产量的有效策略。

ZmPRX38的克隆及其调控玉米抗倒伏性和产量

A: 茎秆强度性状的全基因组关联分析；B: ZmPRX38基因的关键变异位点；C–F: ZmPRX38过量表达株系的茎秆形态(C)、细胞壁结构(D)、根系(E)及果穗(F)。

作者简介

北京市农林科学院王夏青博士、王天依博士、张如养副研究员及湖南大学邓敏副教授为该论文第一作者。北京市农林科学院王荣焕研究员、宋伟研究员和赵久然研究员为共同通讯作者。相关工作得到国家自然科学基金、北京市自然基金、北京市农林科学院优秀青年基金等项目资助。