野生玉米氮、磷高效基因（因子）的發掘與利用

《野生玉米氮、磷高效基因（因子）的發掘與利用》是依託中國農業大學，由李學賢擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：野生玉米氮、磷高效基因（因子）的發掘與利用
• 依託單位：中國農業大學
• 項目負責人：李學賢
• 項目類別：面上項目

項目摘要

作為世界第二大玉米生產國和最大的玉米消費國，我國面臨突出的需求增長、耕地總量壓縮、土壤肥力下滑和氮肥污染不容忽視的結構性矛盾。解決這一問題的關鍵在於利用植物自身遺傳潛力，培育養分高效玉米品種。氮磷是植物必需大量營養元素，玉米能夠回響氮磷不足（或過量），但其分子機理並不清晰。本申請利用植物營養生理學、分子遺傳學和表觀遺傳學方法，（1）研究野生玉米氮磷吸收和利用效率，發掘野生玉米中養分高效性狀；（2）研究氮磷高效野生玉米地上部分和根系對氮磷脅迫和過量的分子回響；（3）研究表觀遺傳對玉米養分吸收和利用的調控機制；（4）將氮磷高效候選基因轉入玉米自交系B73進行功能驗證；（5）將氮磷高效野生玉米與B73、Mo17、KYS等自交系雜交，著手選育氮磷高效新品種。本項研究的創新在於發掘和利用野生玉米氮磷高效基因（因子）、探索礦質營養表觀遺傳調控機制，並致力於培育新的氮磷高效栽培品種，具有深遠科學、生產和社會意義。

結題摘要

項目從植物營養生理、分子遺傳、表觀遺傳等方面，深入研究野生玉米氮磷利用及調控機制，並發掘氮磷高效基因，取得如下重要進展：（1）與栽培玉米相比，野生玉米具有較大根冠比、較強氮素吸收和累積能力等諸多生理與分子特性，具有極強的耐低氮能力。（2）缺磷導致野生玉米（Zea diploperennis）地上部1364個和根部1944個基因差異表達。地上部主要改變代謝過程和啟動防禦系統，而根部改變氧化還原過程及離子運輸。（3）野生玉米（Zea parviglumis）類胡蘿蔔素裂解雙加氧酶7編碼受低磷誘導、具有廣譜類胡蘿蔔底物、調控地上部分枝的氧化還原酶。（4）野生玉米（Zea parviglumis）類胡蘿蔔素裂解雙加氧酶8b在根尖富集、受低磷誘導，定位於質體，具有不同於CCD7的類胡蘿蔔素底物切割位點並伴有特殊香氣物質產生；其在低磷條件下促進磷素從根部向地上部轉移，提高植株在低磷脅迫條件下對磷的再利用能力。（5）野生玉米Zea parviglumis 和Zea diploperennis地上部H3K9me2水平隨缺氮處理而逐漸減弱，而地下部H3K9me2水平隨缺氮處理而逐漸增強，所涉區域基因表達隨之激活或抑制，表明野生玉米根和地上部具有迥異的表觀遺傳機制調控的養分回響過程。（6）構建氮磷養分高效基因CCD8b、PAPs、Myb、IAAs等的B73轉基因株系，並獲得部分轉基因苗。（7）將Zea parviglumis、Zea diploperennis、Zea luxurians與B73進行雜交，初步構建了以B73為基礎的F1BC4回交群體，為進一步深入發掘氮磷養分高效利用基因或因子提供了寶貴遺傳材料。（8）玉米雌穗蛋白組分析表明，缺氮可能通過降低生長素含量、干擾生長素極性運輸來抑制玉米幼穗的生長，或導致碳氮代謝失衡，從而降低產量；高氮抑制谷氨酸代謝，降低光合氮素利用率，抑制產量的持續增長。（9）吐絲期玉米雌穗轉錄組學分析表明穗軸組織中主要是C/N代謝及分配過程，而小花組織中主要是細胞分化及脂類物質合成過程。穗軸組織在回響低氮脅迫過程中占主導地位。ZmVAAT3和ZmAAP4是兩個廣譜胺基酸轉運蛋白，而且ZmAAP4具有比ZmVAAT3相對更強的轉運能力。（10）缺氮和過量供氮導致玉米木質部汁液中23個蛋白差異累積，觸髮根系一般性和養分特異兩種脅迫回響機制。上述成果具有深遠的科學、生產和社會意義。