作者：李晨 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 發(fā)布時(shí)間：2021/7/13 8:20:05

表型組學(xué)技術(shù)：精準(zhǔn)挖掘玉米抗旱基因


隨著測(cè)序技術(shù)普及和待測(cè)材料的規(guī)?；?，傳統(tǒng)的干旱表型性狀獲取手段已經(jīng)不能滿足植物抗逆基因組學(xué)研究的需求，嚴(yán)重阻礙玉米抗旱資源的挖掘。

近年來(lái)，以智能化、高通量、動(dòng)態(tài)無(wú)損測(cè)量為主要特征的表型組學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得多時(shí)空多尺度表型檢測(cè)成為可能，可實(shí)現(xiàn)作物全生育期表型動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)鑒定。

近日，《基因組生物學(xué)》在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和湖北省洪山實(shí)驗(yàn)室教授代明球與楊萬(wàn)能團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。他們借助表型組學(xué)技術(shù)對(duì)玉米的干旱表型進(jìn)行連續(xù)無(wú)損檢測(cè)，獲得了豐富的圖像性狀，構(gòu)建了基因—表型關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，揭示了玉米抗旱的遺傳基礎(chǔ)以及潛在抗旱位點(diǎn)。這項(xiàng)工作被該雜志評(píng)選為亮點(diǎn)文章。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)教授田豐認(rèn)為，該研究提出了一種高通量玉米抗旱表型精準(zhǔn)鑒定和抗旱基因挖掘新思路和新方法，為玉米抗旱遺傳改良提供了新的基因資源和豐富的遺傳“寶庫(kù)”。

傳統(tǒng)表型特征難以實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)

在世界范圍內(nèi)，玉米是重要的糧食作物、飼料和工業(yè)原料。

論文共同通訊作者楊萬(wàn)能告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，近年來(lái)，隨著氣候的變化無(wú)常、人口的不斷增長(zhǎng)、水資源逐漸緊缺，日益頻繁的干旱已成為玉米減產(chǎn)的主要自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重的干旱甚至?xí)?dǎo)致玉米顆粒無(wú)收，經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，如何有效地提高玉米的耐旱性、培育抗旱新品種是保障糧食安全的迫切需求。

“干旱嚴(yán)重影響玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量水平，是限制玉米生產(chǎn)發(fā)展的主要因素?！碧镓S說(shuō)，玉米的抗旱性是多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，傳統(tǒng)的玉米干旱表型有株高、存活率、卷葉程度、葉片含水量等。

“這些表型由于獲取手段存在測(cè)量通量低、耗時(shí)費(fèi)力、精度不高、破壞性等缺點(diǎn)，目前已經(jīng)不能滿足飛速發(fā)展的植物抗逆基因組學(xué)研究的需求，嚴(yán)重阻礙了玉米抗旱資源的挖掘。”田豐指出。

不僅玉米如此，隨著測(cè)序技術(shù)等基因組技術(shù)飛速發(fā)展，水稻、玉米、小麥等我國(guó)主要農(nóng)作物測(cè)序已經(jīng)完成，以水稻為代表的作物功能基因組研究已經(jīng)進(jìn)入高通量時(shí)代。

代明球告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，測(cè)序技術(shù)的普及以及待測(cè)材料的規(guī)?；瘞?lái)一個(gè)新的問(wèn)題——缺少高通量精準(zhǔn)的表型組分析技術(shù)，所以作物表型組學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

作物表型組學(xué)是一門(mén)全面研究作物表型信息大規(guī)模高通量精準(zhǔn)獲取和分析技術(shù)方法的交叉學(xué)科。廣義的作物表型組學(xué)研究對(duì)象不僅包括物理性狀，也包括生理指標(biāo)、生化特征、生長(zhǎng)發(fā)育性狀，以及新穎的圖像數(shù)字性狀等。

“作物表型組技術(shù)可廣泛應(yīng)用于作物抗旱等非生物脅迫逆境研究，也可以應(yīng)用于抗病等生物脅迫逆境、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)高效利用等研究?！贝髑蛘f(shuō)。

自主研發(fā)數(shù)字化圖像表型提取技術(shù)

研究人員利用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)高通量作物表型平臺(tái)，結(jié)合高光譜、微型CT、RGB多光學(xué)成像技術(shù)對(duì)368份玉米自然群體材料，在多個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期、正常澆水和干旱脅迫下的玉米表型進(jìn)行了連續(xù)無(wú)損檢測(cè)。

論文共同第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院馮慧博士說(shuō)，在這項(xiàng)研究中，他們自主研發(fā)了高光譜、微型CT、RGB多光學(xué)成像系統(tǒng)。

光譜成像的基本原理是光的散射和折射。作物內(nèi)部各物質(zhì)含量不一樣，導(dǎo)致光譜相機(jī)接收到不同光譜波段下的圖像信號(hào)不一樣，以此反映作物體內(nèi)各物質(zhì)含量的差別。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)高光譜技術(shù)可無(wú)損提取作物葉綠素、水分等生理生化和抗旱相關(guān)的代謝物指標(biāo)。研究人員自主研發(fā)的高通量高光譜成像系統(tǒng)最高效率可達(dá)44秒/株。

CT成像的基本原理是高能粒子的穿透能力。作物不同器官組織對(duì)X射線吸收存在差異，以CT重建原理技術(shù)將作物內(nèi)部不同器官組織的吸收差異重建出來(lái)。

在實(shí)際應(yīng)用中可以無(wú)損檢測(cè)作物內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相應(yīng)表型性狀，比如莖壁厚、莖壁面積、維管束面積等莖稈內(nèi)部表型性狀。據(jù)悉，他們自主研發(fā)的高通量CT成像系統(tǒng)最高效率可達(dá)5分鐘/株。

RGB成像可以反映植物的大小、顏色、形態(tài)、紋理等信息，在實(shí)際應(yīng)用中為面掃描模式。他們自主研發(fā)的RGB成像系統(tǒng)最高效率可達(dá)37秒/株。

在此基礎(chǔ)上，研究人員還自主研發(fā)多光學(xué)圖像批處理程序，分析并提取高光譜、CT、RGB圖像性狀。通過(guò)篩選，最終獲得10080個(gè)與干旱脅迫相關(guān)的圖像性狀。

馮慧解釋道，圖像性狀是指通過(guò)光學(xué)檢測(cè)手段獲得作物圖像信息，并研發(fā)圖像分析算法提取相應(yīng)的圖像相關(guān)特征，使其數(shù)字化。比如玉米抗旱研究中用到的數(shù)字化生物量、數(shù)字化持綠、數(shù)字化卷葉、水分含量、可溶性糖等性狀。

復(fù)雜數(shù)量性狀遺傳解析的典型范例

論文共同第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生伍璽介紹，通過(guò)篩選獲得干旱脅迫相關(guān)的圖像性狀之后，他們利用全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到2318個(gè)與干旱脅迫相關(guān)的候選基因。

通過(guò)一系列篩選，最終選擇2個(gè)未知抗旱功能的基因ZmcPGM2（參與糖代謝）和ZmFAB1A（參與磷酸肌醇代謝）來(lái)進(jìn)行抗旱功能的驗(yàn)證。

“它們參與植物關(guān)鍵的代謝通路，在植物抗逆應(yīng)答過(guò)程中發(fā)揮重要作用。”伍璽說(shuō)。利用上述基因的突變體，他們發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下突變體相比于野生型有更好的存活率、更高的水分利用效率、更慢的葉片失水率以及更短的散粉—吐絲間隔期。

基于突變體的研究表明，ZmcPGM2和ZmFAB1A能夠調(diào)控相應(yīng)表型并負(fù)調(diào)控玉米抗旱。

值得注意的是，他們對(duì)比了前人的研究結(jié)果，總結(jié)了在玉米馴化和改良中受到選擇的位點(diǎn)。

代明球介紹，他們鑒定到的玉米抗旱候選基因大都不在栽培玉米種中存在，這說(shuō)明抗旱基因在玉米馴化和改良中沒(méi)有受到選擇。

他們猜測(cè)，育種家在選育玉米材料的過(guò)程中，往往追求高產(chǎn)，重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)量相關(guān)性狀，忽略植物的抗逆性。而一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)量和抗逆性是拮抗的。因此，在玉米馴化和改良的過(guò)程中，這些抗旱位點(diǎn)丟失了。“未來(lái)可以利用這些丟失的位點(diǎn)來(lái)改良玉米的耐旱性?！贝髑蛘f(shuō)。

楊萬(wàn)能介紹，他們這套新方法從群體水平結(jié)合多種高通量光學(xué)表型手段，實(shí)現(xiàn)了高通量全生育期獲取玉米表型，并篩選出干旱相關(guān)圖像表型，再結(jié)合多組學(xué)（代謝組、轉(zhuǎn)錄組）數(shù)據(jù)及全基因組關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行玉米抗旱候選基因的高效挖掘。

“這項(xiàng)新技術(shù)再一次證明了結(jié)合高通量表型技術(shù)和全基因組關(guān)聯(lián)分析，可精準(zhǔn)高效解析復(fù)雜性狀遺傳機(jī)制。新技術(shù)有潛力推廣應(yīng)用于小麥、油菜等其他作物抗旱遺傳育種研究?！睏钊f(wàn)能說(shuō)。

田豐表示，該研究是表型組、基因組、代謝組、轉(zhuǎn)錄組等多維組學(xué)大數(shù)據(jù)整合的重要嘗試，為復(fù)雜數(shù)量性狀遺傳解析和基因鑒定提供了典型范例。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1186/s13059-021-02377-0

轉(zhuǎn)載自：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/7/461223.shtm