玉米中 bZIP89 转录因子的自然变异：调控侧根发育与耐旱性的关键机制

时间：2025年4月13日

来源：SCIENCE ADVANCES

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为探究作物侧根（LR）发育的转录调控及其在抗逆中的作用，研究人员整合转录组关联研究（TWAS）和单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）数据开展研究。结果发现 ZmbZIP89 可调控 LR 伸长和耐旱性，其 3′非翻译区变异影响基因表达。该研究为作物育种提供了基因靶点。

在广袤的农业领域，玉米作为重要的粮食作物，其根系的生长发育对于自身的茁壮成长起着至关重要的作用。玉米拥有复杂的根系系统，包括主根、侧根等多种类型，这些根在吸收水分和养分方面发挥着关键作用，进而直接影响着玉米的产量和品质。然而，尽管根系如此重要，科学家们对于玉米侧根发育的转录调控机制，以及这些机制在应对干旱等逆境时的作用，却知之甚少。就像在黑暗中摸索，虽然知道前方有宝藏，但却找不到开启宝藏的钥匙。

为了揭开这些神秘的面纱，中国农业大学等研究机构的科研人员踏上了探索之旅。他们深知，解决这些问题对于提高玉米的抗逆性、保障粮食安全有着重要意义。经过不懈努力，他们的研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为该领域带来了新的曙光。

在这项研究中，科研人员主要运用了转录组关联研究（TWAS）、单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）、DNA 亲和纯化测序（DAP-seq）以及基因编辑技术等关键方法。研究人员选取了 357 份玉米自交系构建群体，通过水培实验测量根表型性状，结合转录组数据进行 TWAS 分析；利用 scRNA-seq 分析玉米初生根单细胞转录组，探究基因表达的细胞异质性和空间模式；借助 DAP-seq 筛选 ZmbZIP89 的直接结合基因；运用基因编辑技术构建 ZmbZIP89 过表达和 ZmPRX47 基因敲除的转基因玉米株系，以验证基因功能。

研究结果如下：

根表型和转录组分析：对 357 份玉米自交系进行水培，在幼苗期扫描根系计算总侧根长度（LRL），发现 LRL 存在显著表型变异。通过转录组测序（RNA-seq）和分析，保留 21,697 个基因用于后续研究。
TWAS 鉴定侧根相关基因：进行 TWAS 分析，发现 647 个基因与 LRL 显著相关，这些基因涉及细胞壁组织或生物发生、ROS 代谢过程、生长素相关等功能。此外，还鉴定出 37 个转录因子（TFs），并构建了 TF - 靶基因调控网络。
玉米幼苗初生根单细胞转录组分析：对玉米参考基因型 B73 的初生根进行 scRNA-seq 分析，将捕获的细胞分为 21 个转录上不同的簇，注释为 10 个细胞群体。通过伪时间分析揭示了中柱和皮层组织的发育状态变化。
LRL 相关基因的富集分析：分析 scRNA-seq 数据发现，647 个 LRL 相关基因主要富集在皮层（C0）和表皮（C4）细胞簇。GO 分析表明，这些基因与植物细胞壁组织或生物发生、过氧化物酶（POD）活性、ROS 代谢过程等相关。
ZmbZIP89 是 LRL 的关键调节因子：在与 LRL 相关的 TF 基因中，ZmbZIP89 被确定为关键 TF。过表达 ZmbZIP89 的玉米植株，其 LRL、总根长（TRL）、主根长（PRL）和胚根长（SRL）均显著增加，表明 ZmbZIP89 正调控侧根发育。
ZmbZIP89 直接调控 ZmPRX47 表达：通过 DAP-seq、scRNA-seq 和基因共表达分析，确定了 86 个 ZmbZIP89 潜在靶基因。其中，ZmPRX47 编码 POD，在 ZmbZIP89 过表达植株中显著上调。通过多种实验验证，ZmbZIP89 可直接激活 ZmPRX47 转录。
ZmPRX47 调节 ROS 产生和玉米侧根发育：生成 ZmPRX47 的 CRISPR-Cas9 突变体，发现敲除 ZmPRX47 导致 LRL、平均主根侧根长（APLRL）和主根侧根密度（PLRD）下降，POD 活性降低，侧根原基区域 ROS 信号增强，表明 ZmPRX47 在调节 ROS 稳态和抑制侧根发育中起关键作用。
ZmbZIP89-ZmPRX47 调节玉米耐旱性：进行土壤栽培箱实验，发现 ZmbZIP89 过表达植株在干旱条件下的存活率、LRL 和生物量显著高于野生型，且具有更高的光合速率（PS）、气孔导度（SC）、蒸腾速率（TR）和水分利用效率（WUE）；ZmPRX47 突变体则表现出相反的结果，表明 ZmbZIP89-ZmPRX47 模块影响玉米耐旱性和干旱恢复能力。
ZmbZIP89 的 3′UTR 自然变异影响侧根发育和耐旱性：对 164 份玉米自交系进行关联分析，发现 ZmbZIP89 的 3′UTR 区域存在两种单倍型（Hap1 和 Hap2）。Hap2 单倍型植株的 ZmbZIP89 表达水平更高，侧根更长，在干旱条件下的地上部干重（SDW）、PS 和 WUE 也更高。进一步研究表明，Hap2 的 3′UTR 序列更有利于 mRNA 稳定。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了皮层和表皮细胞类型在玉米侧根伸长中的重要作用，发现 ZmbZIP89 是侧根发育和非生物胁迫抗性的关键调节因子，其通过激活 ZmPRX47 表达调节 ROS 稳态，促进侧根发育和提高耐旱性。此外，ZmbZIP89 的 3′UTR 自然变异与侧根发育和耐旱性相关，现代育种对耐旱等位基因进行了强烈选择。这些发现为深入理解玉米侧根发育的分子机制提供了新视角，为通过基因工程提高作物耐旱性提供了潜在的基因靶点，对实现可持续农业发展具有重要意义。