JGG｜北京市農林科學院趙久然團隊發現過氧化物酶基因ZmPRX38提高玉米抗倒伏性和產量

玉米作為全球重要的糧食作物，在保障糧食安全方面具有重要戰略意義。高密度種植條件下，倒伏已成為制約玉米產量和品質的主要問題。增強莖稈強度是提高玉米抗倒伏性的有效手段。然而，莖稈強度的遺傳結構較為復雜，目前玉米中克隆到能夠影響莖稈強度的基因較少，應用到玉米育種中的更為有限。木質素含量與莖稈強度呈顯著正相關，過氧化物酶作為木質素合成途徑中的關鍵酶，其在玉米中的功能研究仍不夠系統，尤其是該酶在莖稈抗倒伏性中的作用機制尚不清楚。

近日，Journal of Genetics and Genomics在線發表北京市農林科學院趙久然研究員團隊題為“ZmPRX38is required for improving stalk strength and yield in maize”的研究論文。該研究發現過氧化物酶基因ZmPRX38催化苯丙烷途徑中木質素單體的形成，促進木質素總量提高，進而提高玉米的抗倒伏性和產量。同時，該研究發現ZmPRX38的不利單倍型在我國玉米骨干種質“黃改群”中普遍存在，提出可通過靶向編輯該單倍型提高“黃改群”種質抗倒伏性的策略。

研究團隊對玉米CUBIC群體的莖稈強度性狀進行調查，利用關聯分析鑒定發現，過氧化物酶基因ZmPRX38為莖稈強度熱點區域的候選基因。該基因在營養生長階段的節間高表達，并定位于細胞膜、胞質和質外體。過量表達該基因顯著增加莖稈木質素含量和細胞壁厚度，促使莖稈增粗、莖稈強度提高，同時過量表達植株的根系體積增大，果穗產量也顯著提高，表明該基因兼具增強玉米莖稈與根系抗倒伏性并提高產量的潛力。而敲除該基因則表現出相反表型。進一步研究發現，ZmPRX38參與苯丙烷途徑中木質素單體的生物合成。此外，利用玉米自然變異群體鑒定出了ZmPRX38基因的5’非翻譯區(UTR)、外顯子和3’ UTR的三個變異位點，它們共同決定ZmPRX38的功能。雖然91.46%的玉米自交系含有ZmPRX38有利單倍型，但我國玉米獨特的種質資源“黃改群”幾乎都含有其不利單倍型，而“黃改群”種質的莖稈強度普遍較弱，表明該單倍型可能是導致“黃改群”種質莖稈抗倒伏性差的主要因素之一。因此該研究提出，通過定向改良ZmPRX38在“黃改群”中的不利單倍型將是一種提高“黃改群”種質抗倒伏性和產量的有效策略。

ZmPRX38的克隆及其調控玉米抗倒伏性和產量

A: 莖稈強度性狀的全基因組關聯分析；B: ZmPRX38基因的關鍵變異位點；C–F: ZmPRX38過量表達株系的莖稈形態(C)、細胞壁結構(D)、根系(E)及果穗(F)。

作者簡介

北京市農林科學院王夏青博士、王天依博士、張如養副研究員及湖南大學鄧敏副教授為該論文第一作者。北京市農林科學院王榮煥研究員、宋偉研究員和趙久然研究員為共同通訊作者。相關工作得到國家自然科學基金、北京市自然基金、北京市農林科學院優秀青年基金等項目資助。