2021年06月24日，國際學術期刊Genome Biology《基因組生物學》在線發表了華中農業大學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教授為通訊作者的題為“Using high-throughput multiple optical phenotyping to decipher the genetic architecture of maize drought tolerance”的研究論文。該研究基于華中農業大學高通量作物表型平臺，結合高光譜、微型CT、RGB多光學成像技術對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無損檢測，獲得了豐富的與干旱脅迫響應相關的圖像性狀 (Image-based traits, i-traits)，結合GWAS分析鑒定到大量與干旱脅迫相關的候選基因和QTLs，構建了基因-表型關聯網絡，并結合代謝組和轉錄組大數據，揭示了玉米抗旱的遺傳基礎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”。

在世界范圍內，玉米是重要的糧食作物、飼料和工業原料。近年來，隨著氣候的變化無常、人口的不斷增長、水資源逐漸緊缺，日益頻繁的干旱已成為玉米減產的主要自然災害之一，嚴重的干旱甚至會導致玉米顆粒無收，造成巨大經濟損失。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鑒定，但由于“表型瓶頸”，即傳統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，目前已經不能滿足飛速發展的植物抗逆基因組學研究的需求，嚴重阻礙了玉米抗旱資源的挖掘。近年來，以智能化、高通量、動態無損測量為主要特征的表型組學技術迅猛發展，使得多時空多尺度表型檢測成為可能，可實現作物全生育期表型動態精準鑒定。

本研究利用368份玉米自然群體材料（干旱組和對照組），結合高光譜、微型CT、RGB多光學成像技術對玉米進行多時間點動態檢測（10個時間點的RGB圖像，4個時間點的高光譜圖像，3個時間點的CT圖像）；并自主研發多光學圖像批處理程序分析并提取圖像性狀i-traits，通過篩選最終獲得10,080個與干旱脅迫相關的圖像性狀i-traits(圖1)。

圖1.結合表型組和全基因組關聯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.干旱脅迫相關圖像性狀篩選和后續功能基因挖掘

通過篩選獲得干旱脅迫相關的圖像性狀i-traits之后，利用全基因組關聯(GWAS)分析鑒定到2,318個與干旱脅迫相關的候選基因；結合候選基因通路富集分析結果構建了基因和圖像性狀i-traits的關聯網絡(圖2)。

圖2.玉米干旱脅迫響應圖像性狀i-traits的遺傳解析。a.基因和圖像性狀i-traits的關聯網絡;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。 

為了驗證候選基因在調控光譜表型和抗旱性上的生物功能，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）。基于突變體的研究表明，ZmcPGM2 (圖3)和ZmFAB1A能夠調控相應表型并負調控玉米抗旱。


圖3.候選基因ZmcPGM2的抗旱功能驗證。a. ZmcPGM2在不同干旱脅迫下的表達分析;b.單倍型分析；c.突變體和野生型葉片失水率比較；d-e.突變體和野生型干旱脅迫下存活率比較；f-i.突變體和野生型干旱脅迫下光合表型比較；j-k.突變體和野生型在正常澆水和干旱脅迫下花期表型 (ASI) 比較。

進一步對干旱脅迫響應相關圖像性狀i-traits分析發現，篩選到15個圖像性狀i-traits能夠很好的預測玉米存活率，且這15個圖像性狀和已知光譜指數（紅谷、綠峰、綠谷、紅邊等）具有較高相關性，預示著它們在玉米的抗旱育種改良中可能具有重要的應用價值，可作為潛在的干旱脅迫響應相關生物標記(圖4)。

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

綜上所述，本研究結合高通量表型組技術和GWAS分析，鑒定到大量與干旱脅迫響應相關圖像性狀i-traits以及調控這些圖像性狀i-traits和抗旱性的候選基因，它們在玉米的抗旱育種中可能具有重要的應用價值。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”。

據了解，我校作物表型團隊一直致力于作物表型技術自主研發與應用，相關技術已成功應用于水稻、玉米、棉花等作物抗旱遺傳解析。本研究再次證明，結合高通量表型技術和遺傳分析技術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，而且將復雜性狀解析成簡單且高遺傳力的圖像性狀，為作物抗旱等復雜性狀遺傳結構解析提供一種新方法和新思路。

作者簡介和項目資助：
華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室伍璽博士生和信息學院馮慧老師為論文的共同作者，代明球教授和楊教授為共同通訊作者。本研究得到了國家重點研究發展計劃、國家自然科學基金、北京市杰出青年科學家計劃和高校基礎研究基金的資助。

來源：Genome Biology.Using high-throughput multiple optical phenotyping to decipher the genetic architecture of maize drought tolerance.Xi Wu, Hui Feng, Di Wu, Shijuan Yan, Pei Zhang, Wenbin Wang, Jun Zhang, Junli Ye, Guoxin Dai, Yuan Fan, Weikun Li, Baoxing Song, Zedong Geng, Wanli Yang, Guoxin Chen, Feng Qin, William Terzaghi, Michelle Stitzer, Lin Li, Lizhong Xiong, Jianbing Yan, Edward Buckler, Wanneng Yang & Mingqiu Dai
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