中国农业科学院作科所揭示玉米根系驯化及环境适应性遗传机理

　　5月22日，中国农业科学院作物科学研究所玉米优异种质资源发掘与创新利用团队联合多家单位首次揭示了玉米在驯化及全球适应性过程中，种子根数目形成的遗传基础及适应性轨迹，鉴定了控制种子根数目的关键基因ZmHb77，阐明了其调节根系结构及玉米苗期抗旱性的遗传和生物学基础，为高效挖掘抗逆并适应未来气候变化的作物资源奠定了理论基础。相关成果在《自然遗传学（Nature Genetics）》上发表。

 

　　根系作为植物唯一的地下器官，在水分养分吸收及抗倒伏方面发挥着至关重要作用。禾本科作物玉米作为成功驯化的植物，在保障全球粮食安全方面发挥了重要作用。然而，玉米复杂根系结构形成的遗传机理及其生态适应性轨迹一直未知。理解作物根系建成的遗传学基础及环境适应性驱动力，对于高效挖掘抗逆并适应未来气候变化的作物资源具有重大理论意义。

 

　　研究团队通过对全球9000余份玉米种质资源（包括玉米野生近缘种大刍草，地方品种和现代自交系）系统分析，发现多数大刍草没有种子根，而地方品种和现代玉米自交系平均种子根数目在3-4之间，结合考古学证据揭示了种子根的形成可能符合作物驯化历史及适应性扩散过程。进一步研究发现，昼夜温差变化与降雨季节性对种子根数目变化具有重要贡献，表明种子根形成与环境因子密切相关。随后研究人员对全球1604份玉米种质资源开展全基因组关联分析，从160个种子根数目相关的候选基因中锁定到一个控制种子根数目的关键转录因子ZmHb77，该基因通过控制种子根数目系统调节侧根密度，进而影响根系整体的吸水能力，可提高玉米苗期的抗旱性。该研究为理解作物驯化、根系遗传及生态适应性提供了典型范例，也为开发能够应对未来气候挑战的作物奠定理论基础。

 

　　该研究由德国波恩大学、作科所和美国宾夕法尼亚大学等单位合作完成。德国波恩大学博士生于鹏为第一作者及共同通讯作者。作科所李春辉研究员，美国宾夕法尼亚大学Meng Li博士和德国波恩大学博士生何晓明为共同第一作者。德国波恩大学Frank Hochholdinger教授、作科所王天宇研究员和美国宾夕法尼亚大学Ruairidh Sawers教授为共同通讯作者。该研究得到了“十四五”国家重点研发计划、国际大科学计划G2P和中国农业科学院创新工程等项目资助。

 

　　原文链接：https://www.nature.com/articles/s41588-024-01761-3