2025年9月10日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點實驗室代明球教授課題組聯(lián)合以色列特拉維夫大學(xué)Yariv Brotman課題組在國際學(xué)術(shù)期刊 Genome Biology 發(fā)表了題為“High-resolution time-series transcriptomic and metabolomic profiling reveals the regulatory mechanism underlying salt tolerance in maize”的研究論文。該研究構(gòu)建了玉米極端耐鹽自交系HLZY和鹽敏感骨干系JI853的高密度表達(dá)和代謝譜，開發(fā)了新的時序數(shù)據(jù)挖掘算法，闡明了兩玉米自交系耐鹽性差異的原因，并結(jié)合遺傳和分子研究方法，鑒定并驗證了多個新的玉米耐鹽基因，為玉米耐鹽育種提供了理論基礎(chǔ)和改良靶點并為其它時間序列多組學(xué)研究提供了分析框架。

 

　　利用RNA-seq, GC-MS和LC-MS技術(shù)，研究者獲取了玉米極端耐鹽自交系HLZY和敏感骨干系JI853在鹽脅迫和對照下連續(xù)14個時間點的轉(zhuǎn)錄和代謝變化。利用偏最小二乘-判別（PLS-DA），似然比檢驗，年譜分析等多種數(shù)據(jù)分析手段，研究者發(fā)現(xiàn)耐鹽自交系對鹽脅迫存在更廣泛和更迅速的轉(zhuǎn)錄和代謝應(yīng)答。幾丁質(zhì)代謝與應(yīng)答，肌醇和脯氨酸代謝，ABA與乙烯等激素應(yīng)答等逆境響應(yīng)過程在耐鹽自交系中更早應(yīng)答。利用時間序列聚類技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)多個已知耐鹽基因在耐鹽自交系中表現(xiàn)出“提前激活”的表達(dá)模式，研究者驗證了具有相同表達(dá)模式，但此前未報道參與玉米鹽脅迫應(yīng)答的新基因ZmGLK44是玉米鹽脅迫應(yīng)答的正調(diào)控因子。此外，研究者提出了一種基于LASSO的決策算法，整合了轉(zhuǎn)錄和代謝組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了玉米耐鹽關(guān)鍵代謝物的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并驗證了代謝-調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的樞紐基因ZmGLN2的代謝調(diào)控功能。高達(dá)80%的ZmGLN2預(yù)測關(guān)聯(lián)代謝物在zmgln2突變體中發(fā)生顯著含量變化。zmgln2突變體的代謝組分析顯示該基因缺失在鹽脅迫下特異地抑制了玉米的氨基酸積累。

 

　　本研究基于耐鹽性不同的玉米自交系，利用多種分析方法，闡明了玉米鹽脅迫應(yīng)答的關(guān)鍵過程，發(fā)現(xiàn)了新的玉米耐鹽基因和代謝物，為玉米耐鹽育種提供了基因資源，并為時序數(shù)據(jù)挖掘提供了新的分析框架。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)已出站博士后，現(xiàn)北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院副研究員張斐，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀博士生紀(jì)博明，斯坦福大學(xué)吳思博士為論文的共同第一作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)代明球教授、以色列特拉維夫大學(xué)Yariv Brotman教授為本文的通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后張卉、博士生張杰、碩士生王飛參與了本研究。西北農(nóng)林科技大學(xué)宋寶興教授、廣州大學(xué)桑青教授、廣東農(nóng)科院晏石娟研究員、黃文潔副研究員、德國馬克思普朗克研究所分子植物生理所Mustafa Bulut博士對該研究提供了指導(dǎo)和幫助。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金、以及華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院百川計劃的資助。

 

　　英文摘要：

 

　　Background

 

　　Soil salinization represents a critical global challenge to agricultural productivity, profoundly impacting crop yields and threatening food security. Plant salt-responsive is complex and dynamic, making it challenging to fully elucidate salt tolerance mechanism and leading to gaps in our understanding of how plants adapt to and mitigate salt stress.

 

　　Results

 

　　Here, we conduct high-resolution time-series transcriptomic and metabolomic profiling of the extremely salt-tolerant maize inbred line, HLZY, and the salt-sensitive elite line, JI853. Utilizing advanced data mining techniques, we identify key factors underlying the divergence in salt tolerance between these two lines and discover a series of novel genes and metabolites essential for maize salt tolerance. Additionally, we develop an innovative decision algorithm that enabled the construction of a high-confidence gene regulatory network for important salt-responsive metabolites. Comprehensive genetic and molecular studies further reveal the pivotal role of a hub gene, ZmGLN2, in regulating metabolite biosynthesis and salt tolerance in maize.

 

　　Conclusions

 

　　Our study provides the first high-resolution transcriptomic and metabolomic dataset for crop salt response, uncovering novel maize salt-responsive genes and metabolites. These findings demonstrate the effectiveness of high-resolution multi-omics in deciphering the mechanisms underlying complex crop traits. Furthermore, we develop a systematic analytical framework for mining time-series multi-omics data, which can be broadly applied to other species or traits.

 

　　論文鏈接：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-025-03766-5