圖1. 結(jié)合表型組和全基因組關(guān)聯(lián)分析揭示玉米抗旱遺傳機制。a.高通量作物表型平臺及實驗設(shè)計；b.高光譜成像（HSI）、微型CT、RGB圖像分析及圖像性狀i-traits提取；c.干旱脅迫相關(guān)圖像性狀篩選和后續(xù)功能基因挖掘

　　圖2. 玉米干旱脅迫響應(yīng)圖像性狀i-traits的遺傳解析。a.基因和圖像性狀i-traits的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；b.候選基因在糖代謝通路富集；c.候選基因在磷酸肌醇代謝通路富集。

 

 

　　圖4. 候選基因和圖像性狀i-traits預(yù)測玉米存活率。a.利用全基因組選擇模型對玉米存活率進行預(yù)測；b.利用15個圖像性狀i-traits預(yù)測玉米存活率；c-f. 15個圖像性狀預(yù)測4個光譜指數(shù)。

 

　　近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室和湖北省洪山實驗室代明球教授與楊萬能教授團隊聯(lián)合研發(fā)出一種玉米抗旱高通量表型組技術(shù)，揭示了玉米抗旱的遺傳基礎(chǔ)。相關(guān)研究以“Using high-throughput multiple optical phenotyping to decipher the genetic architecture of maize drought tolerance”為題發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Genome Biology。

 

　　近年來，日益頻繁的氣候干旱已成為導(dǎo)致玉米減產(chǎn)的主要自然災(zāi)害之一，嚴重的干旱甚至?xí)?dǎo)致玉米顆粒無收，造成巨大經(jīng)濟損失。因此，如何有效的提高玉米的耐旱性，培育抗旱新品種是保障糧食安全的迫切需求。

 

　　玉米抗旱研究離不開高通量表型精準(zhǔn)鑒定，但由于“表型瓶頸”，即傳統(tǒng)的干旱表型性狀獲取手段存在測量通量低、耗時費力、精度不高、破壞性等缺點，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，嚴重阻礙了玉米抗旱資源的挖掘。近年來，以智能化、高通量、動態(tài)無損測量為主要特征的表型組學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得多時空多尺度表型檢測成為可能，可實現(xiàn)作物全生育期表型動態(tài)精準(zhǔn)鑒定。

 

　　該研究基于我校高通量作物表型平臺，結(jié)合高光譜、微型CT、RGB多光學(xué)成像技術(shù)對368份玉米自然群體材料在多個生長時期、正常澆水和干旱脅迫下的玉米表型進行連續(xù)無損檢測，并自主研發(fā)多光學(xué)圖像批處理程序分析并提取圖像性狀（Image-based traits, i-traits），通過篩選最終獲得10,080個與干旱脅迫相關(guān)的圖像性狀 i-traits。

 

　　研究團隊結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)（GWAS）分析鑒定到2,318個與干旱脅迫相關(guān)的候選基因，結(jié)合候選基因通路富集分析結(jié)果構(gòu)建了基因和圖像性狀的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。為了驗證候選基因在調(diào)控光譜表型和抗旱性上的生物功能，團隊進一步從候選基因中篩選、確定了2個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）?；谕蛔凅w的研究表明，ZmcPGM2和ZmFAB1A能夠調(diào)控相應(yīng)表型并負調(diào)控玉米抗旱。

 

　　團隊進一步對干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)圖像性狀i-traits進行分析，篩選到15個圖像性狀i-traits能夠很好的預(yù)測玉米存活率，且這15個圖像性狀和已知光譜指數(shù)（紅谷、綠峰、綠谷、紅邊等）具有較高相關(guān)性，預(yù)示著它們在玉米的抗旱育種改良中可能具有重要的應(yīng)用價值，可作為潛在的干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)生物標(biāo)記。

 

　　本研究提出了一種玉米抗旱基因挖掘的新思路和新方法，并基于本方法揭示了玉米抗旱的遺傳基礎(chǔ)以及馴化和改良中丟失的潛在抗旱位點，為玉米抗旱遺傳改良和抗旱育種提供了新的基因資源和豐富的遺傳“寶庫”。

 

　　我校作物遺傳改良國家重點實驗室博士生伍璽和信息學(xué)院馮慧老師為論文的共同第一作者，代明球教授和楊萬能教授為共同通訊作者。本研究得到了國家重點研究發(fā)展計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市杰出青年科學(xué)家計劃和中央高?；A(chǔ)研究基金的資助。

 

　　據(jù)了解，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物表型團隊一直致力于作物表型技術(shù)自主研發(fā)與應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)已成功應(yīng)用于水稻、玉米、棉花等作物抗旱遺傳解析。研究結(jié)合高通量表型技術(shù)和遺傳分析技術(shù)不僅為作物功能基因組和作物育種研究提供新穎評價指標(biāo)，而且將復(fù)雜性狀解析成簡單且高遺傳力的圖像性狀，為作物抗旱等復(fù)雜性狀遺傳結(jié)構(gòu)解析提供一種新方法和新思路。

 

　　【英文摘要】

 

　　Background

 

　　Drought threatens the food supply of the world population. Dissecting the dynamic responses of plants to drought will be beneficial for breeding drought-tolerant crops, as the genetic controls of these responses remain largely unknown.

 

　　Results

 

　　Here we develop a high-throughput multiple optical phenotyping system to noninvasively phenotype 368 maize genotypes with or without drought stress over a course of 98?days, and collected multiple optical images, including color camera scanning, hyperspectral imaging, and X-ray computed tomography images. We develop high-throughput analysis pipelines to extract image-based traits （i-traits）。 Of these i-traits, 10,080 were effective and heritable indicators of maize external and internal drought responses. An i-trait-based genome-wide association study reveals 4322 significant locus-trait associations, representing 1529 quantitative trait loci （QTLs） and 2318 candidate genes, many that co-localize with previously reported maize drought responsive QTLs. expression QTL （eQTL） analysis uncovers many local and distant regulatory variants that control the expression of the candidate genes. We use genetic mutation analysis to validate two new genes, ZmcPGM2 and ZmFAB1A, which regulate i-traits and drought tolerance. Moreover, the value of the candidate genes as drought-tolerant genetic markers is revealed by genome selection analysis, and 15 i-traits are identified as potential markers for maize drought tolerance breeding.

 

　　Conclusion

 

　　Our study demonstrates that combining high-throughput multiple optical phenotyping and GWAS is a novel and effective approach to dissect the genetic architecture of complex traits and clone drought-tolerance associated genes.

 

　　論文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02377-0