玉米氮状况相关生物标记物的筛选和应用

【背景】RNA表达丰度作为一种生物标记物已广泛应用于临床诊断阶段,但在农业栽培中诊断作物营养状况的应用较少。【目的】挖掘和验证转录水平上可以作为生物标记物精确指示玉米氮营养状况的基因,指导精准施用氮肥。【方法】基于不同氮素处理的基因芯片和RNA-Seq数据,通过生物信息学和统计学方法初步筛选出基因表达丰度高度响应氮素处理的生物标记物候选基因;利用不同基因型、不同氮处理的玉米材料,通过荧光定量PCR方法和凯氏定氮法,进一步筛选氮响应生物标记物基因;并构建预测玉米氮状况的广义线性模型,准确指示玉米氮营养状况。【结果】首先初步筛选出10个表达水平较高的基因,且mRNA表达丰度高度响应氮素处理的生物标记物候选基因;利用不同氮素条件下种植的B73材料从10个候选基因中进一步筛选出8个在充足氮、限制氮处理后基因表达丰度存在显著差异的基因;随后选取遗传多样性丰富、生态区域广泛的26种自交系材料和4种杂交种材料进一步筛选,发现有4个基因表达独立于基因型,可以在不同基因型玉米材料中稳定表达;并且通过相关性分析发现,在充足氮和限制氮处理下,这4个基因表达丰度差异与穗位叶总氮含量差异具有显著相关性(R2均大于0.6),表明这4个基因可以作为氮响应生物标记物进行实际应用;将4个氮响应生物标记物基因分别组合构建两基因、三基因、四基因线性模型,由Zm00001d024281(X_(2))、Zm00001d039049(X_(3))和Zm00001d037680(X_(4))这三个基因构建的线性模型用于预测玉米植株氮状况的应用性最强,其函数关系为Y=1.143+0.017X_(2)-0.302X_(3)+0.017X_(4);选取大田种植的6个杂交种材料对三基因模型预测功能进行验证,结果表明,三基因模型能够在大田环境中准确诊断玉米植株氮素营养状况。【结论】获得4个高度响应玉米氮状况的生物标记物基因,构建的三基因模型可以准确预测玉米氮素营养状况。该生物标记物的开发可以有效实时监测玉米植株氮状态,优化氮肥使用,从而实现成本最低时农作物产量的最大化。

甜糯玉米籽粒不同发育时期基因表达谱和生理生化特性分析

利用快中子诱变糯玉米自交系通系5,获得在同一籽粒上表现甜质与糯质特性的玉米突变材料,命名为甜糯玉米。以甜糯玉米和通系5为研究对象,利用生理生化测定和转录组学技术,揭示甜糯玉米在籽粒发育不同时期的代谢及基因表达差异。结果表明,在胚乳发育的各个时间点上甜糯玉米中的淀粉含量均极显著低于通系5玉米,可溶性总糖、蔗糖含量均极显著高于通系5玉米。甜糯玉米胚乳的糊化特征参数均极显著低于通系5,在授粉后20 d开始呈剧烈增加趋势。差异转录组学分析发现,与通系5相比,甜糯玉米中有154个基因在胚乳中的表达显著下调。籽粒发育不同时期的转录组差异表达分析发现,4 914个基因仅在通系5的籽粒发育过程中存在差异表达,富集到生物体发育、RNA修饰等生物过程;1 829个基因仅在甜糯玉米中差异表达,富集到响应化学物质、响应非生物刺激等生物过程。共同差异表达基因在2种玉米中存在动态表达趋势差异。本研究结果为优良甜糯玉米品种的培育与改良提供了种质材料和遗传信息。