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玉米相关组表型实验368件，上图为正常灌溉，下图为干旱胁迫下。 都是华中农大提供的
随着测序技术的普及和待测材料的规模化，传统的旱表型性状获取手段已经不能满足植物抗逆基因组学研究的需要，严重阻碍了玉米抗旱资源的挖掘。
近年来，以智能化、高通量、动态无损检测为主要特征的表现型组学技术发展迅速，可实现多时空多尺度表现型检测，实现作物全生育期表现型的动态准确鉴定。
近日，《基因组生物学》在线发布了华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和湖北省洪山实验室教授代明球和杨万能团队的最新研究成果。 他们利用表位技术对玉米干燥表位进行了连续无损检测，获得了丰富的图像性状，建立了基因表位相关网络，揭示了玉米抗旱的遗传基础和潜在抗旱位点。 这项工作被这本杂志选为亮点。
中国农业大学教授田丰认为，该研究提出了高通量玉米抗旱表型精确鉴定和抗旱基因挖掘的新思路和新方法，为玉米抗旱遗传改良提供了新的基因资源和丰富的遗传“宝库”。
用以往表型的特征很难进行高通量检测
玉米是全球重要的粮食作物、饲料和工业原料。
论文共同社作者杨万能告诉《中国科学报》，近年来，随着气候变化无常、人口增长、水资源短缺，日益频繁的干旱已成为玉米减产的主要自然灾害之一，严重的干旱导致玉米粒无收，经济损失也很大因此，如何有效提高玉米抗旱性，培育抗旱新品种是保障粮食安全的迫切需要。
“干旱严重影响玉米生长和产量水平，是限制玉米生产发展的主要因素。 ”田丰表示，玉米抗旱是一个多基因调控的复杂数量性状，传统玉米干燥表型有株高、存活率、雪茄程度、叶片含水量等。
“这些表型由于获取手段存在测定通量低、费时费力、精密度不高、破坏性强等缺点，不能满足目前快速发展的植物抗逆基因组学研究的需要，严重阻碍了玉米抗旱资源的挖掘”田丰指出。
不仅是玉米，随着测序技术等基因组技术的飞速发展，水稻、玉米、小麦等我国主要农作物的测序工作已经完成，以水稻为代表的作物功能基因组研究已经进入高通量时代。
代明球在《中国科学报》年，缺乏——高通量精确表现型组分析技术，带来了测序技术的普及和待测材料规模化的新问题，作物表现型组学应运而生。
作物表型组学是全面研究作物表型信息大规模高通量准确获取和分析技术方法的交叉学科。 广义作物表型组学的研究对象不仅包括物理性状，还包括生理指标、生化特征、生长发育性状，以及新颖的影像数字性状等。
“作物表型群体技术可广泛应用于作物抗旱等非生物胁迫逆境研究，也可应用于抗病等生物胁迫逆境、高产优质、营养高效利用等研究。 ”代替明球说。
自主开发数字图像表型提取技术
研究人员利用华中农业大学高通量作物表位，结合高光谱、显微CT、RGB多光学成像技术，对368份玉米自然群体材料进行多种生长期、正常浇水和干旱胁迫下玉米表位的连续无损检测
论文合著者华中农业大学信息学院冯慧博士表示，该研究自主开发了高光谱、显微CT、RGB多光学成像系统。
光谱成像的基本原理是光的散射和折射。 由于作物内部各物质的含量不同，光谱相机接收到的不同波段的图像信号也不同，从而反映作物体内各物质含量的差异。
在实际应用中，通过高光谱技术可以无损提取作物叶绿素、水分等生理生化和抗旱相关代谢物指标。 研究人员自主开发的高通量高光谱成像系统最高效率可达44秒/股。
CT图像的基本原理是高能粒子的透射能力。 不同作物器官组织的x射线吸收存在差异，采用CT重建原理技术重建作物内部不同器官组织的吸收差异。
在实际应用中，可以无损检测作物内部结构和对应的表型性状，如茎壁厚、茎壁面积、维管束面积等茎内部表型性状。 据悉，他们自主研发的高通CT成像系统最高效率可达5分钟/股。
RGB图像可以反映植物的大小、颜色、形态、纹理等信息，在实际应用中是面扫描模式。 他们自主开发的RGB成像系统最高效率可达37秒/股。
在此基础上，研究者自主开发了多光学图像批处理程序，分析并提取了高光谱、CT、RGB图像性状。 通过筛选，最终获得了10080个与干旱胁迫相关的图像性状。
冯慧解释说，图像性状是指通过光学检测手段获得作物图像信息，开发图像分析算法提取相应的图像相关特征并进行数字化。 如玉米抗旱研究中生物量数字化、绿色数字化、叶片数字化、水分含量、可溶性糖等性状。
复杂数量性状遗传分析典型实例
论文合著者华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室博士生吴玺介绍，通过筛选获得干旱胁迫相关图谱性状后，利用全基因组关联分析共鉴定出2318个干旱胁迫相关候选基因。
通过一系列筛选，最终选择两个未知抗旱功能的基因ZmcPGM2(参与糖代谢)和ZmFAB1A (参与磷酸肌醇代谢)进行抗旱功能验证。
“它们参与植物重要的代谢途径，在植物的抗逆响应过程中起重要作用。 ”伍玺说。 利用这些基因突变体，他们发现干旱胁迫下突变体比野生型存活率高，水分利用效率高，叶片失水率慢，散粉—吐丝间隔短。
突变体研究表明，ZmcPGM2和ZmFAB1A可调控相应表现型，负向调控玉米抗旱性。
值得注意的是，他们比较了前人的研究结果，总结了玉米驯化和改良中选择的部位。
代明球说，他们鉴定的玉米抗旱候选基因大多不存在于栽培玉米品种中。 这表明抗旱基因没有在玉米驯化和改良中选择。
他们推测育种家在选育玉米材料的过程中，往往追求高产，侧重于产量相关性状，而忽视了植物的抗性。 一般来说，产量和抗逆性是拮抗的。 因此，在玉米驯化和改良过程中，这些抗旱部位丧失了。 “将来可以利用这些丢失的部位改良玉米的抗旱性。 ”代替明球说。
杨万能介绍，他们这一新方法从群体层面结合多种高通量光学时钟型手段，在高通量全生育期获得玉米时钟型，筛选干旱相关图谱时钟型，并对多组学(代谢组、转录组)数据和全基因组
“再次证明，该新技术将高通量尺度型技术与全基因组相关分析相结合，能够准确高效地分析复杂的性状遗传机制。 新技术有可能应用于小麦、油菜等其他作物的抗旱遗传育种研究。 ”杨万能说。
田丰表示，该研究是表现型组、基因组、代谢组、转录组等多维组学大数据整合的重要尝试，为复杂的数量性状遗传分析和基因鉴定提供了典型范例。 (李晨)。
相关论文信息： doi.org/10.1186/s 13059-021-02377-0
来源：中国科学报
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