四川农业大学高世斌团队在玉米低磷胁迫响应基因发掘以及磷与产量之间平衡方面取得新进展

西南作为我国玉米的主产区之一，但由于土壤酸性和富含固定磷元素的铁、铝离子，导致土壤有效磷含量较低，约有一半的耕地面临严重的缺磷问题。为保持产量，大量施用的磷肥已造成严重的环境污染。通过遗传改良提高玉米磷吸收效率和低磷耐受性，培育和推广磷高效利用新品种，对于解决这些问题将发挥关键作用。因此开展养分精准鉴定评价，挖掘磷高效优异种质和优异等位基因，能够为节肥增效品种培育提供技术和资源支撑。同时对于收获籽粒的作物来说淀粉是影响产量的重要因素。因此解析磷与淀粉相关信号之间的联系有助于作物种植过程中的减肥增产。

2024年6-7月，四川农业大学高世斌团队在玉米磷高效优异资源鉴定及磷高效基因挖掘鉴定方面取得了新进展。相关研究成果发表在刊Theoretical and Applied Genetics上，题为Genome‑wide association studies dissect low‑phosphorus stress response genes underling field and seedling traits in maize和Mining for QTL controlling maize low-phosphorus response genes combined with deep resequencing of RIL parental genomes and in silico GWAS analysis。以上两项研究分别利用GWAS群体和RIL群体低磷胁迫下的多年多点田间试验表型数据和苗期表型数据进行了耐低磷材料的筛选以及低磷相关基因的挖掘（图1），为后续磷信号通路的解析以及磷高效品种的选育奠定了重要基础。

图1 耐低磷候选基因的挖掘

A.低磷条件下成熟期和幼苗期性状与基因之间的复杂关联；B.低磷胁迫相关的QTL位点

2024年6月，在该团队在探索成熟籽粒磷含量、淀粉含量以及百粒重之间的关系方面继续在Theoretical and Applied Genetics上在线了题为Exploring the phosphorus–starch content balance mechanisms in maize grains using GWAS population and transcriptome data的研究性论文。该研究利用307份不同的玉米自交系组成的GWAS群体进行了多年多点的试验。结果表明籽粒磷含量与淀粉含量和百粒重呈显著负相关，而淀粉含量与百粒重呈正相关。高磷低淀粉含量（HPLS）籽粒的淀粉颗粒明显小于低磷高淀粉含量（LPHS）籽粒。与LPHS自交系系SCML0849相比，HPLS自交系ZNC442中ZmPHOs基因表达显著降低，而这两个自交系之间AGPase编码基因的表达没有差异。ZNC442籽粒中下调的基因富集在核苷酸糖和脂肪酸合成代谢途径中，而上调的基因则富集在ABC转运蛋白途径中。同时，还观察到随着磷含量的增加，脂肪分解加速。这表明HPLS可能是由于脂质分解增加和碳源不足造成的。最后，GWAS分析确定了514个显着相关的基因，其中248个基因在HPLS和LPHS之间表现出显著的表达差异。值得注意的是TRAF家族的一个候选基因ZmPSB1与磷含量/HKW显着关联，在SCML0849的籽粒灌浆过程中表现出高表达，但在ZNC442中几乎没有表达。该研究找到了后续研究磷和产量之间直接关系的突破口。

2024年7月，该团队在Frontiers in Plant Science上还在线了题为SPX family response to low phosphorus stress and the involvement of ZmSPX1 in phosphorus homeostasis in maize，该研究系统鉴定了玉米中ZmSPXs家族的表达和互作情况，并且通过转基因验证了ZmSPX1在参与玉米磷平衡调控的机制（图2）。

图2 ZmSPX1的玉米转基因验证

上述4篇论文第一作者均为四川农业大学玉米研究所青年教师罗博文，通讯作者为高世斌教授。云南曲靖农科院黄吉美老师在低磷胁迫田间鉴定方面提供了大力支持，绵阳农科院马鹏博士以及瑞典农业科学大学兰雨舟博士在文章思路以及修改方面给予了很大的帮助。另外，该团队已毕业研究生张贵弟、于霆、Javed Hussain Sahito以及在读研究生张海莹、张翀、韩正等参与了大量的试验内容。农学院农学专业本科生郑好、唐梓瑞以及李柒乐参与了部分研究内容以及文稿的修订。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s00122-024-04681-2

https://doi.org/10.1007/s00122-024-04696-9

https://doi.org/10.1007/s00122-024-04667-0

https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1385977