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研究生作业本该枯燥?不,中国现代农业联合研究生院作业卷出了“流量”(二十)

  • 2026-10-26 08:18:07
研究生作业本该枯燥?不,中国现代农业联合研究生院作业卷出了“流量”(二十)
编译: 李治明责编: 孙宜飞  统筹: 邵瑞鑫

研究背景

干旱是严重威胁全球作物产量稳定性的主要环境胁迫因素。提高作物在干旱条件下的产量稳定性而不牺牲其在正常环境下的产量(即避免生长冗余),是当前育种研究的核心挑战。本研究揭示了玉米二氨基庚二酸(DAP)差向异性酶ZmDapF1在耐旱性中的负调控功能,并探索了其如何通过抑制叶绿体NADP依赖型苹果酸脱氢酶ZmMDH6的活性,从而调控光合效率和活性氧(ROS)平衡。

材料与方法

本研究选用玉米品种LH244(野生型)、B73、CML118以及359份关联群体作为实验材料。核心实验涵盖了从宏观群体到微观生化的完整体系:利用CRISPR-Cas9技术构建基因敲除系,并进行转基因过表达验证;通过两年的大田产量试验(张掖、海南)评估产量表现;利用LC-MS/MS测定激素与代谢物含量;通过Y1H、EMSA、双荧光素酶(LUC)验证转录调控;利用Co-IP、LCI、Pull-down及叶绿体蛋白组学(LC-MS)鉴定蛋白互作;通过DAB染色与Amplex Red测定分析活性氧(ROS)水平。

结果与分析

通过GWAS鉴定到与玉米苗期成活率显著相关的基因ZmDapF1。相比野生型,zmdapf1敲除系显示出更高的干旱生存率,而过表达株系则对干旱更加敏感,且该调控不依赖于气孔开闭。
图1 ZmDapF1负向调控玉米耐旱性
ZmDapF1存在两种主要单倍型(Hap1和Hap2)。Hap2(耐旱单倍型)的启动子由于Indel-1509和SNP-1454的变异,增强了与转录抑制因子ZmMYB121的结合亲和力,导致其在干旱下的表达水平更低,从而提升耐旱性。双荧光素酶(LUC)实验表明耐旱型单倍型Hap2的启动子活性较低。Y1H和EMSA实验证实转录抑制因子ZmMYB121能直接结合启动子中的MBS元件,且对Hap2的结合亲和力远高于Hap1,从而在干旱下更有效地下调ZmDapF1。
图2 启动子变异影响ZmMYB121的结合能力
RNA-seq转录组分析显示受调控基因主要富集在氧化还原通路。在干旱胁迫下,DAB染色与H₂O₂定量分析显示敲除系叶片的ROS积累量显著低于野生型,证明其在维持叶绿体氧化还原稳态方面具有关键作用。
图3 ZmDapF1通过调控叶绿体ROS平稳影响耐旱性

Co-IP、LCI与Pull-down实验一致证实ZmDapF1定位于叶绿体并与ZmMDH6直接物理结合。体外生化分析显示ZmDapF1显著抑制了ZmMDH6的脱氢酶活性,这种抑制作用受蛋白间的二硫键调控。

图4 ZmDapF1与ZmMDH6互作并抑制其活性

连续两年的大田试验表明,ZmDapF1敲除系在干旱下的光合速率及籽粒产量显著优于野生型。农艺性状调查确认,在正常灌溉下敲除系亦能维持高产,打破了抗性和产量长期存在的负相关关系。

图5 敲除株系在干旱大田试验中表现优异

结论

本研究揭示了ZmMYB121–ZmDapF1–ZmMDH6这一调控模块:在干旱时,ZmMYB121抑制ZmDapF1表达,解除了其对ZmMDH6活性的抑制,从而通过苹果酸阀门(Malate Valve)消耗过剩电子,维持叶绿体ROS平衡并提升光合效率与产量。

作者简介

通讯作者

秦峰(Feng Qin),中国农业大学生物学院教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者,是国内玉米抗逆分子遗传学领域的领军学者之一。他于1998年毕业于北京大学生物技术系,2004年获得清华大学生物学博士学位,随后赴日本国际农林水产业研究中心(JIRCAS)开展博士后研究,积累了深厚的植物逆境生理与分子生物学基础。秦峰教授长期聚焦于玉米对干旱、高盐等非生物胁迫响应的分子机制研究,擅长通过整合自然变异分析、多组学手段与大田表型鉴定,系统性地挖掘玉米抗旱的关键遗传位点。他带领团队克隆并功能解析了如 ZmDREB2A、ZmVPP1、ZmWRKY79 等多个具有重要育种应用价值的抗逆基因,从信号转导、转录调控及代谢补偿等多维度阐明了植物耐旱的生物学本质。其研究成果多次在 Nature Genetics、Nature Plants、The Plant Cell、Molecular Plant 等国际顶级学术期刊发表,为全球作物抗逆遗传改良提供了重要的理论基础与基因资源。此外,他还担任 Journal of Experimental Botany 等权威期刊编委,并在多个国家级重大科研计划中担任核心职务。

第一作者

连勇艳(Yongyan Lian): 负责本研究的主要实验执行、数据分析及初稿撰写 。共同作者还包括杨世平(负责群体遗传分析)和田甜(负责转录组分析)等研究人员。

团队简介

中国农业大学玉米抗逆研究团队依托全国重点实验室,构建了涵盖种质收集、基因组分析及大田精准鉴定的完整科研链条 。团队致力于攻克玉米“抗性与产量平衡”难题,在利用自然变异解析环境适应性及叶绿体稳态维持等领域取得了多项突破。

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