玉米硝酸盐转运蛋白基因ZmNRT2.1的功能研究及其演化分析

Nitrogen is one of the most important mineral elements, which determines the biomass and yield of plants. Nitrate is the main nitrogen source of maize, identifying the genes and elite variation of nitrate absorption could contribute to improve nitrogen use efficiency in maize. A QTL associated with chlorate tolerance was detected by GWAS in a diverse panel including 350 inbred lines. Gene resequencing found that several variations in ZmNRT2.1 were significantly associated with chlorate tolerance, and there may be domestication selection in gene promoter region and 3' regulatory region. Based on these results, gene expression patterns will be determined by tissue expression and subcellular localization. The mutants, knockout lines, and overexpressing lines will be used to study the function of genes ZmNRT2.1. Gene resequencing will be carried out in wild, landrace and improved maize lines to identify the elite variation and clarify the genetic evolution of the excellent variation. The findings could provide important genetic resources and theoretical basis for developing nitrogen-efficient maize varieties.

氮是植物需求量最大的矿质元素，决定植物生物量和产量的核心因素之一。硝酸盐是玉米的主要氮源，挖掘玉米硝酸盐高效吸收的基因和优良变异对玉米氮高效遗传改良具有重要意义。本项目前期以350份玉米自交系为材料，通过关联分析定位到一个氯酸盐耐性的QTL位点，重测序发现ZmNRT2.1基因存在多个变异位点与玉米氯酸盐耐性显著关联，且在基因启动子区域和3'调控区域可能存在驯化选择。本研究拟在此基础上，通过组织表达、亚细胞定位明确基因表达模式；利用突变体、敲除系和超表达株系研究ZmNRT2.1的基因功能；在自交系、地方品种和大刍草材料中进行基因重测序，挖掘优良等位变异，明确优良变异的遗传演化规律。研究结果将为玉米氮高效的遗传改良提供重要的基因资源和理论依据。

氮是植物需求量最大的矿质元素，决定植物生物量和产量的核心因素之一。硝酸盐是玉米的主要氮源，挖掘玉米硝酸盐高效吸收的基因和优良变异对玉米氮高效遗传改良具有重要意义。本研究对296份玉米自交系材料在正常和氯酸盐处理下的8个性状进行了测定，利用关联分析共计定位到105个显著SNP位点，其中正常条件下定位到28个显著SNP位点，氯酸盐处理条件下定位到38个显著SNP位点，可塑性状定位到39个SNP位点。结合关联分析和表达分析，确定为ZmNRT2.1候选基因。ZmNRT2.1基因编码硝酸盐转运蛋白，负责硝态氮吸收。对187份供试玉米自交系、71份地方品种和32份大刍草的ZmNRT2.1基因全长进行重测序，经序列比对后共检测到640个变异位点，包括543个SNPs和97个InDels。ZmNTR2.1启动子区段的核苷酸多样性高于其它区段，大刍草的核苷酸序列多样性大于地方品种和自交系，表明ZmNRT2.1在玉米驯化过程中可能受到选择。利用一般线性模型，以群体结构为协变量对ZmNRT2.1基因进行候选基因关联分析。关联分析结果表明ZmNRT2.1基因有14个变异位点与根系氮浓度变化率显著关联。根据14个显著变异位点将供试自交系分成4个主要的单倍型，单倍型间的根系氮浓度变化率存在显著差异，单倍型hap4为最优单倍型。突变体表型结果表明，无论在高氮还是低氮条件下，突变体zmnrt2.1-1和zmnrt2.1-2的株高、SPAD值和茎皮穿刺强度均显著低于野生型。同时本研究分析了213个玉米自交系在正常（2mM 硝酸盐）和低氮（0mM 硝酸盐）条件下22个根系性状和6个地上部部性状的自然变异。所有性状均检测到显著的表型变异。缺氮增加了根长，降低了根直径和地上部相关性状。对不同氮水平下各个性状及其对低氮的响应进行全基因组关联分析，共鉴定出297个显著SNP。候选基因注释共鉴定出51个编码区存在氨基酸变异或低氮条件下表达水平存在差异的候选基因。对候选基因GRMZM2G081930进行了重测序。在低氮条件下，发现38个SNP和12个INDEL与主根侧根长度、0 ~ 0.5 mm直径的主根长度、主根表面积和主根总长度显著关联。研究结果将为玉米氮高效的遗传改良提供重要的基因资源和理论依据。