Genome Biology | 华中农业大学代明球团队联合湖北省农科院玉米揭示可变转录本调控玉米抗旱的遗传基础

干旱是影响玉米生长的主要非生物胁迫之一，长期的干旱将导致玉米减产，更会带来直接的经济损失。可变转录本（Alternative transcripts）是指同一基因通过可变转录起始、可变剪接和可变多聚腺苷酸化等机制产生不同转录本的现象，在植物应对非生物胁迫过程中起着关键作用。因此，在群体水平上解析可变转录本调控玉米干旱的遗传基础具有重要意义。

近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室代明球教授课题组联合湖北省农业科学院玉米团队在国际学术期刊Genome Biology发表了题为Genomic basis underlying alternative transcripts-mediated drought tolerance in maize的研究论文。该研究揭示了玉米可变转录本在群体水平的干旱响应机制，阐明了剪接调控子和内含子结构变异在调控可变转录本和干旱应答中的关键作用，为耐旱玉米育种提供了遗传资源和理论依据。

本研究基于实验室前期已发表的197份玉米自然群体材料正常生长和干旱胁迫下的转录组数据（Sun et al 2023），系统鉴定了玉米响应干旱过程中的可变转录本事件，揭示了可变转录本在玉米干旱响应中以独立于基因表达水平变化的方式发挥作用。研究发现差异可变转录本基因（DATG）的可变转录事件更易导致蛋白质结构域改变，且影响miRNA靶位点的比例显著高于其他基因。进一步分析发现干旱胁迫下基因更倾向于转录出更长的转录本（图1）。

图1 干旱响应可变转录事件的鉴定与特征分析

研究通过全基因组关联分析（GWAS），揭示了充足浇水和干旱胁迫条件下玉米自然群体中数千个调控基因表达（eQTLs）和可变转录本（atQTLs）的数量性状位点。比较分析发现约50%的atQTLs具有环境特异性，且仅在单一条件下被检测到。通过整合分析，发现多数atQTLs与eQTLs的调控位点相对独立，且顺式作用的atQTLs效应强于反式作用。此外，多个atQTLs的lead SNPs与玉米抗旱性显著相关，表明可变转录本变异对玉米抗旱性的差异有重要贡献（图2）。

图2 在充分浇水和干旱胁迫条件下，对eQTLs和atQTLs进行全基因组范围的鉴定及特征分析

研究以ABA受体基因ZmPYL8为例子，发现ZmPYL8通过可变剪接产生两种功能存在差异的转录本：全长转录本ZmPYL8_T01增强玉米的抗旱性，截短转录本ZmPYL8_T02降低玉米的抗旱性。序列分析显示，基因内含子区的UA-rich区域存在3种主要单倍型（Hap1:8T3A、Hap2:5T10A、Hap3:2T10A），其中Hap1型材料中ZmPYL8_T02的比例显著升高且抗旱性降低。剪接效率实验证实，单倍型Hap1的剪接位点识别效率更高，导致了ZmPYL8_T02转录本的积累，进而通过抑制ABA信号通路负调控玉米的抗旱性。阐明了内含子序列变异通过调控可变转录本影响作物抗旱性的遗传机制（图3）。

图3 内含子UA-rich序列调控ZmPYL8可变转录本及玉米干旱响应

综上所述，本研究揭示了玉米可变转录本在群体水平上对干旱的响应，阐明了内含子变异在调控玉米可变转录本和干旱响应中的关键作用。为玉米抗旱育种提供了遗传资源和理论依据。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室博士生郝树琳和博士生韩素文为该论文的共同第一作者。华中农业大学代明球教授和湖北省农科院粮食作物研究所孙霄鹏博士为共同通讯作者。湖北省农科院贺正华特聘研究员、华中农业大学博士后豆楠楠和已毕业硕士生于志佳参与了本工作。吉林省农科院生物所刘相国研究员、甘肃省农业科学院作物研究所王兴荣研究员、张彦军副研究员对该研究提供了指导和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、生物育种-国家科技重大专项、海南省崖州湾种子实验室解绑挂帅项目和湖北省自然科学基金的资助。

https://link.springer.com/article/10.1186/s13059-026-03939-w