野生玉米氮、磷高效基因（因子）的发掘与利用

作为世界第二大玉米生产国和最大的玉米消费国，我国面临突出的需求增长、耕地总量压缩、土壤肥力下滑和氮肥污染不容忽视的结构性矛盾。解决这一问题的关键在于利用植物自身遗传潜力，培育养分高效玉米品种。氮磷是植物必需大量营养元素，玉米能够响应氮磷不足（或过量），但其分子机理并不清晰。本申请利用植物营养生理学、分子遗传学和表观遗传学方法，1）研究野生玉米氮磷吸收和利用效率，发掘野生玉米中养分高效性状；2）研究氮磷高效野生玉米地上部分和根系对氮磷胁迫和过量的分子响应；3）研究表观遗传对玉米养分吸收和利用的调控机制；4）将氮磷高效候选基因转入玉米自交系B73进行功能验证；5）将氮磷高效野生玉米与B73、Mo17、KYS等自交系杂交，着手选育氮磷高效新品种。本项研究的创新在于发掘和利用野生玉米氮磷高效基因（因子）、探索矿质营养表观遗传调控机制，并致力于培育新的氮磷高效栽培品种，具有深远科学、生产和社会意义。

项目从植物营养生理、分子遗传、表观遗传等方面，深入研究野生玉米氮磷利用及调控机制，并发掘氮磷高效基因，取得如下重要进展：1)与栽培玉米相比，野生玉米具有较大根冠比、较强氮素吸收和累积能力等诸多生理与分子特性，具有极强的耐低氮能力。2）缺磷导致野生玉米（Zea diploperennis）地上部1364个和根部1944个基因差异表达。地上部主要改变代谢过程和启动防御系统，而根部改变氧化还原过程及离子运输。3）野生玉米（Zea parviglumis）类胡萝卜素裂解双加氧酶7编码受低磷诱导、具有广谱类胡萝卜底物、调控地上部分枝的氧化还原酶。4）野生玉米（Zea parviglumis）类胡萝卜素裂解双加氧酶8b在根尖富集、受低磷诱导，定位于质体，具有不同于CCD7的类胡萝卜素底物切割位点并伴有特殊香气物质产生；其在低磷条件下促进磷素从根部向地上部转移，提高植株在低磷胁迫条件下对磷的再利用能力。5）野生玉米Zea parviglumis 和Zea diploperennis地上部H3K9me2水平随缺氮处理而逐渐减弱，而地下部H3K9me2水平随缺氮处理而逐渐增强，所涉区域基因表达随之激活或抑制，表明野生玉米根和地上部具有迥异的表观遗传机制调控的养分响应过程。6）构建氮磷养分高效基因CCD8b、PAPs、Myb、IAAs等的B73转基因株系，并获得部分转基因苗。7）将Zea parviglumis、Zea diploperennis、Zea luxurians与B73进行杂交，初步构建了以B73为基础的F1BC4回交群体，为进一步深入发掘氮磷养分高效利用基因或因子提供了宝贵遗传材料。8）玉米雌穗蛋白组分析表明，缺氮可能通过降低生长素含量、干扰生长素极性运输来抑制玉米幼穗的生长，或导致碳氮代谢失衡，从而降低产量；高氮抑制谷氨酸代谢，降低光合氮素利用率，抑制产量的持续增长。9）吐丝期玉米雌穗转录组学分析表明穗轴组织中主要是C/N代谢及分配过程，而小花组织中主要是细胞分化及脂类物质合成过程。穗轴组织在响应低氮胁迫过程中占主导地位。ZmVAAT3和ZmAAP4是两个广谱氨基酸转运蛋白，而且ZmAAP4具有比ZmVAAT3相对更强的转运能力。10）缺氮和过量供氮导致玉米木质部汁液中23个蛋白差异累积，触发根系一般性和养分特异两种胁迫响应机制。上述成果具有深远的科学、生产和社会意义。