近日，中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所玉米功能基因組團隊和作物代謝調(diào)控與營養(yǎng)強化團隊合作研究，構(gòu)建出首個玉米全節(jié)間時空特異轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡，發(fā)掘和解析了關(guān)鍵基因CYP90D1調(diào)控玉米節(jié)間發(fā)育的分子機制，揭示了調(diào)控玉米節(jié)間發(fā)育的基因表達新模式。該研究拓展了對玉米莖稈發(fā)育機理的認識，為玉米株型分子改良提供了基因資源。相關(guān)研究成果發(fā)表在《植物生物技術(shù)雜志》（Plant Biotechnology Journal）上。
株高是最重要的株型性狀之一，對玉米生長、光合作用、抗倒伏性和農(nóng)機收割都有重要影響，是決定玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。株高主要取決于玉米莖稈節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度，合理的株高才能促進玉米豐收高產(chǎn)。隨著基因組學、生物信息學及預測模型的快速發(fā)展，目前已鑒定出一些玉米節(jié)間發(fā)育和株高相關(guān)的調(diào)控基因，然而對玉米節(jié)間發(fā)育的系統(tǒng)研究和調(diào)控機制仍缺乏深入理解。
圖為玉米全節(jié)間時空轉(zhuǎn)錄組與基因調(diào)控網(wǎng)絡。
拔節(jié)期是玉米株高形成的最關(guān)鍵時期，也是玉米生長發(fā)育最旺盛的階段。研究人員收集了玉米自交系B73的拔節(jié)期和成熟期全部節(jié)間，進行轉(zhuǎn)錄組測序，通過PCA聚類分成初成熟區(qū)、分生區(qū)、基底區(qū)及成熟區(qū)等四個特異發(fā)育時區(qū)。每個區(qū)域都有與特定發(fā)育時期相關(guān)的特異表達基因。并對5個代表性的節(jié)間進行深入的差異基因表達分析，分別鑒定了分生階段和延長階段的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子；進一步結(jié)合節(jié)間長度、直徑、周長和重量等數(shù)據(jù)進行WGCNA分析與表型預測，構(gòu)建了首個玉米全節(jié)間時空特異基因表達調(diào)控網(wǎng)絡，并鑒定了一批與表型高度相關(guān)的基因，通過Crispr-Cas9技術(shù)驗證了關(guān)鍵候選基因CYP90D1的功能，說明了該基因在株型改良和分子育種中可能的應用價值。
圖為CYP90D1（ZmD1）調(diào)控玉米節(jié)間發(fā)育和莖稈長度。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程等項目的資助。
