Nat Genet. | 一个优良抗旱玉米种质的基因组组装与遗传剖析
玉米（Zea mays）是重要的粮食作物和饲料作物，同时也是重要的工业原料，并且在世界范围内广泛种植。干旱胁迫会导致作物严重减产，挖掘抗旱种质资源，选育高产抗旱品种可以缓解这一问题。作者在自然群体中筛选出一个具有抗旱特性的玉米种质资源（CIMBL55）。相较于 B73 和 Mo17，CIMBL55 具有较高的苗期存活率以及干旱条件下较低的产量损失。
基因组组装和共线性分析
作者结合 PacBio 三代长读长测序、BioNano 光学图谱以及 Hi-C 测序技术对 CIMBL55 进行基因组测序组装。通过 BUSCO 分析以及 9 个 CIMBL55 BAC 克隆序列比对，作者验证了其基因组的质量可靠。通过 CIMBL55 与 B73 基因组间共线性分析，作者将 CIMBL55 基因分成同源染色体共线性基因、非同源染色体重复基因、contigs 上的共线性基因、不在共线性 block 中的直系同源基因和没有直系同源蛋白序列的基因 5 类。其中属于 class 1-3 的基因（Synteny）表达量显著高于 class 4-5 的基因（Noynteny）表达量。
SV鉴定
作者将 B73、Mo17 和 CIMBL55 进行比对并鉴定了 841,911 个 SV（>20 bp），在玉米自然群体中鉴定了其中 544,853 个 SVs 的基因型。先前在自然群体中利用 SNP 鉴定的 108 个抗旱基因中有 79 个基因的优良等位基因（superior alleles）富集在 CIMBL55 中。进一步 SV 基因型进行关联分析，鉴定到 69 个基因包含和抗旱表型显著关联的 SV，其中 65 个基因的优良单倍型（SNP 和 SV）富集在 CIMBL55 中。ZmABF4 编码 bZIP 转录因子，可以调控 ABA 和干旱诱导的基因表达，在 ZmABF4 的第二个内含子上鉴定到一个 SNP 和一个 SV，这两个变异和基因表达量、抗旱性显著关联。在自然群体中带有 ZmABF4CIMBL55 单倍型的个体具有更高的 ZmABF4 表达量和抗旱性，而且 ZmABF4B73 超表达植株和野生型相比表现出更高的抗旱性，表明 ZmABF4 可以正调控玉米抗旱性。
表观基因组变异影响玉米抗旱
根据 CIMBL55 基因组插入片段（包括 0.5-kb-flanking regions）的 mCG、mCHG 和 mCHH 甲基化水平使用层次聚类将其分为 5 类，其中第四类插入片段和 flanking regions 相比具有更高的甲基化水平，这类插入片段富集了大量 DNA-TEs 且距离转录起始位点较近。一些 NAC-domain-containing transcription factor 家族成员对失水胁迫抗性有积极作用。和 ZmNAC075CIMBL55 相比 ZmNAC075B73 上游有两个插入片段，这两个片段被超甲基化可能导致 ZmNAC075 表达量降低进而导致玉米抗旱性降低。
ZmRtn16 提高玉米抗旱性
通过比较基因组分析鉴定到 ZmRtn16CIMBL55 的 3′-UTR 区域存在一个 28 bp 缺失片段，带有这一缺失片段的玉米种质具有更高的抗旱性且 ZmRtn16 表达量更高，同时这一缺失片段可以增强 ZmRtn16 转录本的稳定性。ZmRtn16 超表达株系、crispr 敲除株系和野生型对照株系比较分析表明，ZmRtn16 可以降低干旱条件下的玉米叶片气孔开度和降低失水率，从而减少干旱条件下的产量损失和增强抗旱性。进一步实验表明，ZmRtn16 可以和 ZmVHA-A 以及 ZmVHA-E3 互作，促进 ZmVHA-A 和 ZmVHA-E3 定位到液泡膜上并增强 V-H+-ATPase 活性。
原文链接