Mol Plant |中国农大秦峰组报道玉米抗旱基因ZmSRO1d通过影响气孔ROS含量调控抗旱性与产量的平衡

玉米是世界三大作物之一。玉米是一种需水量大，且对干旱胁迫敏感的旱地作物，水分亏缺会严重影响玉米的产量。干旱也是威胁农业生产的世界性难题。

2022年8月31日，中国农业大学秦峰教授课题组在Molecular Plant在线发表了题为"Natural variations of ZmSRO1d modulate the trade-off between drought resistance and yield by affecting ZmRBOHC-mediated stomatal ROS production in maize"的研究论文，报道了玉米抗旱基因ZmSRO1d通过影响ZmRBOHC介导的气孔ROS含量调节玉米的抗旱性与产量的平衡。

研究组前期通过全基因组关联分析发现位于玉米第9染色体的ZmSRO1d基因上的遗传变异与玉米苗期抗旱性极显著相关。研究发现，该基因中3个显著的非同义突变（SNP131、SNP134、和SNP488）可以将ZmSRO1d分为ZmSRO1d-S（干旱敏感）和ZmSRO1d-R（抗旱）两种单体型。ZmSRO1d-R中两个非同义突变SNP131和SNP134（分别导致第44位丙氨酸突变位甘氨酸和45位的缬氨酸突变为丙氨酸），使ZmSRO1d-R能特异与Zm14-3-3.1相互作用，能定位于细胞核中与细胞膜上。此外，ZmSRO1d-R中的另一个非同义突变SNP488 （导致第161位的甘氨酸突变位丙氨酸），使ZmSRO1d-R具有更强的单ADP核糖基转移酶活性，并通过介导气孔保卫细胞膜上的ZmRBOHC单ADP核糖基化修饰，增强其NADPH氧化酶活性提高保卫细胞ROS含量，促进气孔关闭。过表达ZmSRO1d-S或ZmSRO1d-R均能增强植株的抗旱能力，并且ZmSRO1d-R的效果更为明显。田间干旱试验表明，过表达ZmSRO1d-R植株产量比对照材料增加约60%；但在正常浇水条件下，由于气孔开度小，导致光合速率降低，造成8.6%的产量损失。另一方面，敲除ZmSRO1d-S或ZmRBOHC基因导致植株对干旱更敏感，干旱下较对照材料更严重的减产。而在正常水分条件下ZmRBOHC敲除植株由于气孔开度大，光合速率明显增强，能显著提高小区产量较对照提高6.9%。

分析玉米近缘野生种大刍草和现代栽培玉米中ZmSRO1d-R的基因型频率发现，抗旱优异等位基因型ZmSRO1d-R在大刍草中以较高的频率存在，且在玉米由热带亚热带地区向温带地区扩散和现代玉米育种过程中基因型频率不断下降。推测现代玉米的高产育种，可能导致抗旱等位基因丢失。因此，研究人员提出，在玉米品种选育和布局时，在降雨或灌溉充足的地区，应选择种植携带ZmSRO1d-S基因型或敲除ZmRBOHC的玉米品种可能有助于提高玉米的产量。然而，在干旱缺水的地区，种植携带ZmSRO1d-R和ZmRBOHC的玉米品种则有助于提高其抗旱稳产性。

综上，该研究发现在玉米自然群体中存在ZmSRO1d-S和-R两种基因型。抗旱优异等位基因型蛋白ZmSRO1d-R能与Zm14-3-3.1互作并定位到质膜对ZmRBOHC进行ADP核糖基化修饰导致保卫细胞内的ROS产生增加。在玉米驯化和现代育种过程中，可能由于ZmSRO1d-R影响正常水分条件下的产量，而发生了人工选择性清除。ZmSRO1d自然变异的发现及其功能解析，为以后玉米高产、稳产的新品种培育提供了新的认识和思考。

中国科学院植物研究所已毕业博士生高华健为该论文的第一作者，中国农业大学秦峰教授为该论文的通讯作者，中国农业大学巩志忠教授参与此项工作。该研究得到北京高校卓越青年科学家计划、国家重点研发计划专项、国家自然科学基金的资助。

转自：“植物科学最前沿”微信公众号

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