文献解读|Nat Plants（17.352）：现代育种过程中玉米根系结构变化的全基因组解析

作者首先对一个含有380个品种的玉米关联群体的根系结构特征进行了表型分析，并且定义了根系结构分类的8个性状。与早期自交系相比，新驯化的自交系具有更陡的根角和更窄的根宽。这些结果表明，在中国现代育种过程中，玉米的根系结构可能变得更陡、更窄，这些根系结构特征可以促进玉米对水和氮的吸收，提高对高密度种植的适应性。

图1 中国玉米育种中的根系结构变化

为了研究在这一过程中基因表达的变化，作者通过GWAS分析确定了与八个根性状相关的 371 个单核苷酸多态性 (SNP)。通过搜索相关 SNP 上游和下游 50 kb 范围内的候选基因，作者确定了 795 个 GWAS 候选基因，其中有一些已经发表过的与根系结构相关的基因，证明了分析的可靠性。作者同时结合根转录组数据构建了基因共表达网络，在795 个 GWAS 候选基因中的优先选择了 81 个在玉米根中具有强烈高表达的基因。

图2 GWAS分析8个根系性状的曼哈顿图

为了玉米驯化过程中的选择特征，作者通过跨种群复合似然比 (XP-CLR)比较了中国172个玉米自交品系，发现决定整个根系骨架的主根和冠根相关基因，主要是在从玉蜀黍到玉米地方品种的驯化过程中间接选择的。通过分析，在81个高表达基因中，有28个是在玉米地方品种向自交系改良过程中经过人工驯化选择的。

图3 玉米品系的选择性扫描分析

为了进一步验证分析的可靠性，作者选择了之前在八个自交系和四个杂交种中两个新发现的根相关基因（ZmRSA3.1和ZmRSA3.2）上具有不同的等位基因组合进行比较分析。根据 GWAS 鉴定的重要 SNP，ZmRSA3.1 (C/T) 和ZmRSA3.2 (A/T) 可分为四种等位基因组合（CA、CT、TA 和 TT）。通过表型分析，发现T 等位基因变异与较小的根系角度、宽度和面积相关。

图4 不同品种的根系结构区别

作者继续研究了这两个高优先级候选基因ZmRSA3.1和ZmRSA3.2的初始功能。ZmRSA3.1编码具有 271 个氨基酸的 AUX/IAA 蛋白家族成员。ZmRSA3.2是玉米中功能未知的基因；其拟南芥同系物 (AT3G25500.1) 调节肌动蛋白丝和微管动力学，从而影响细胞形状。对每个候选基因的过表达品系分析，ZmRSA3.1和ZmRSA3.2过表达系分别比野生型低 11.5-28.7% 和 11.6-25.2% ( P  < 0.001)；根深分别比野生型高 22.0-22.1% 和 25.3-29.2% ( P  < 0.001)。这些结果一致表明了ZmRSA3.1和ZmRSA3.2控制根系结构。同时作者对关联组中ZmRSA3.1和ZmRSA3.2的等位基因进行了重新测序，包括 5' UTR、编码序列和 3' UTR。序列比对显示 ZmRSA3.1 的第二个外显子中有一个 24 bp 的插入/缺失 ( indel ) ，这与根角和深度高度相关。同样， ZmRSA3.2的 3' UTR 区域中的大插入缺失与根角和深度相关。总的来说，这些结果表明ZmRSA3.1和ZmRSA3.2的两个插入缺失可能是未来玉米根系遗传改良的有前途的功能位点。

图5 过表达ZmRSA3.1和ZmRSA3.2改变根系结构

作者还量化了冠根尖的 IAA 浓度并进行了转录组学分析。与野生型相比，过表达ZmRSA3.1和ZmRSA3.2导致 IAA 浓度分别显着增加 36.3%和 63.9%。在玉米原生质体中的亚细胞定位表明ZmRSA3.1和ZmRSA3.2分别主要定位于细胞核和质膜。并且通过酵母双杂交试验验证了可能的相互作用。差异表达基因 (DEG) 的转录组分析表明，ZmRSA3.1和ZmRSA3.2的过表达导致激素相关基因表达的显着变化，这些基因参与对激素、生长素刺激、生长素介导的途径和硝酸盐转运的反应。OE-ZmRSA3.1与野生型和OE-ZmRSA3.2与野生型的两次比较之间有 444 个共同的 DEGs。这些共有的DEGs有一些已知的根相关基因，例如ZmARGOS8 (GRMZM2G354338)、ZmD3 (GRMZM2G093195) 和ZmD5 ( GRMZM2G093603 )，这些基因可通过生长素和赤霉素途径调节节点根数。这些结果表明，ZmRSA3.1和ZmRSA3.2的过表达会影响玉米生长素信号通路，进而导致冠根中生长素分布的变化，并最终导致根系结构的变化。

图6 两个影响根系结构基因的功能验证