“抗旱性”寻找玉米抗旱的关键“钥匙”

今天，很高兴为大家分享来自中国科学报的寻找玉米抗旱的关键“钥匙”，如果您对寻找玉米抗旱的关键“钥匙”感兴趣，请往下看。

秦峰（左二）在中国农业大学的温室实验基地指导学生。

■本报记者 张晴丹

中国农业大学的温室实验基地里，玉米长势旺盛，该校教授秦峰对着这些生机盎然的材料正向学生讲授关于玉米抗旱基因挖掘的知识。她对学生们寄予厚望，“玉米的逆境适应性研究还得继续深入才行”。

21年前，秦峰还在清华大学读博时就开始从事植物抗逆基因的克隆和功能研究。对这个领域，她有着深厚的感情。

这一次，秦峰带领科研团队完成了一种玉米抗旱优异种质资源基因组的高质量组装，并对它的抗旱基因进行了详细解析。相关研究2月21日发表于《自然-遗传学》。

追求高产量可能忽视抗逆性

如今，全球极端天气发生频率越来越高，其中干旱对农业而言是最具破坏力的一种自然灾害。

联合国粮食及农业组织的统计显示，2005年至2015年间，干旱就给全球农业领域造成了290亿美元的损失。而现在，干旱非但没“踩刹车”，其影响日益加剧。联合国预计，到2050年，全球超3/4的人口或将受干旱影响。这是秦峰把研究方向瞄准玉米抗旱的原因之一。

“还有一个原因是，随着玉米品种的不断选育和改良，大家更多追求的是产量，这可能导致玉米对逆境的适应性降低。”秦峰说。

美国斯坦福大学的一位学者做过的一项调查发现，美国玉米商业化育种水平非常高，但1995年到2012年的品种改良虽然使产量增加了，但作物的抗旱性有所下降。

玉米是我国重要的粮食作物，要发展好玉米产业，就得对威胁玉米高产、稳产的干旱“下手”。科研人员意识到，当务之急需要尽快鉴定玉米抗旱种质资源并解析其遗传基础。

一个神奇的基因

2004年从清华大学博士毕业后，秦峰到日本国际农林水产业研究中心一个专攻植物抗旱性研究的实验室做了6年的博士后。在那里，她主要用模式植物拟南芥进行抗旱基因的克隆和功能解析。

2010年回国后，秦峰又在中科院植物研究所工作了6年。其间，她跟国内一些科研单位的研究人员合作，对全球不同地区的一些主要玉米种质资源开展了抗旱性的评价工作。

正是有了这些前期积累，对玉米抗旱性的挖掘工作才得以继续深入。“我们发现了一个来自墨西哥的热带种质材料，它具有非常优异的抗旱性。”秦峰当时就下定决心要把这个基因组组装好。

这篇论文的研究工作跨越了7年，这期间测序技术不断更迭，秦峰要根据测序技术的发展调整组装工作，这对她来说是一个不小的挑战。“我的知识背景是做克隆和生物学解析，在基因组学和生物信息学方面还需要学习。”

之前，秦峰带领团队通过全基因组关联分析和干旱应答基因表达的数量性状位点解析，确定了108个可能对抗旱性有贡献的基因。

这次，他们发现在具有优异抗旱性的种质材料CIMBL55的基因组里至少携带了65个抗旱基因的优异等位变异，推测这可能是构成其优良抗旱性的遗传基础。

“我们对其中一个抗旱基因进行了深入的功能分析，发现一个叫作ZmRtn16的基因很神奇，这个基因一旦缺失，会使玉米的抗旱性显著降低。”秦峰说。

在转基因材料中增强ZmRtn16的功能可显著提高玉米苗期和全生育期的抗旱性。在田间干旱胁迫下，ZmRtn16转基因材料的产量显著高于对照材料，且不影响其正常条件下的产量。

这项研究为玉米抗旱性的遗传改良和分子设计育种提供了重要靶点，对我国和世界的粮食安全以及农业可持续发展意义重大。

做科研要有一定的韧性

从课堂到实验室，每一位科研工作者都需要一段历练和过渡才能将知识融会贯通。在这个探索过程中，很多人会遭遇多次失败，获得与预期不一样的结果。

“所以我经常跟学生讲，做科研不能只凭一腔热情，还得有一定的韧性。要敢于创新，不惧怕失败；敢于挑战，在最前沿的领域探索未知。”秦峰表示。

做研究是这样，投稿亦如是。这篇文章的投稿经历了比较长的时间跨度，与审稿人的各种“交锋”持续了13个月。

“我们在2021年11月底投稿，当时3位审稿人提了很多修改意见，其中一位审稿人要求我们分析更多的基因组，在原来3个基因组的基础上增加已发表的25个。工作量简直‘超标’。”秦峰回忆道。

团队成员都是追求完美的人，他们想“既然要做，索性做得全面些”。于是，他们得到了30个基因组的信息，并全部聚到一起联合分析，用到了4种目前最先进的基因组分析工具。

在2022年的大半年时间里，博士后田甜和博士生王书会一直在紧锣密鼓地按照团队讨论的方案进行补充实验和数据分析。他们两位是这篇论文的共同第一作者。

受当时新冠疫情的影响，田甜有一阵只能通过线上远程开展分析讨论，而王书会几乎住在实验室里。5月因为需要田间试验，团队成员克服种种困难，到位于甘肃省张掖市的实验基地开展工作。围绕ZmRtn16这个基因，他们又补充了一些田间的干旱实验数据。

当文章于2022年8月底再次投出后，11月初，他们终于收到3位审稿人“非常满意”的回复。

“目前，我们是全世界第一个对抗旱玉米进行全基因组组装和解析的课题组。有了这些抗旱的‘钥匙’，下一步我们计划与育种家或育种公司合作，选育出抗旱性能优异的玉米品种。”秦峰说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41588-023-01297-y

好了，关于寻找玉米抗旱的关键“钥匙”就讲到这。