開花期耐旱分子模塊的挖掘及應用

研究表明，玉米開花前后對干旱脅迫最為敏感，田間持水量輕微程度的降低都可能嚴重影響玉米的各種生理特性，最終造成玉米產量的損失。為了探尋玉米開花期耐旱的分子機制，解析玉米生殖生育期水分脅迫調控的分子模塊，我們通過對前期收集的?1?100?份玉米自交系材料在甘肅、新疆和內蒙古等地的多年多點干旱處理實驗，對葉片持綠性、雌雄穗開花間隔時間以及產量相關性狀進行了深入調查，并對?243?份核心種質資源進行芯片檢測和?GWAS?分析，挖掘到了?44?個與花期耐旱顯著相關的遺傳位點。同時，結合轉錄組測序分析，確定了?1?個核心分子模塊。將其導入東北底盤品種“吉單?27”后，葉片的光合速率顯著提高、持綠耐旱性及穩產性明顯增強。

根系耐旱分子模塊的挖掘

根系作為植物感知、吸收水分的主要器官，與耐旱性密切相關。一般來說，發達的根系更有利于作物在干旱條件下吸收土壤深層的水分，增強其抵抗干旱脅迫的能力。為了深入了解成株期根系構型的變化在玉米耐旱中的作用機制，尋找與玉米水分高效利用密切相關的分子模塊，謝旗研究組從?150?多份自交系中篩選出根系構型差異較大的?23?個自交系（12?個根少的自交系和?11?個根多的自交系）進行多年多點的干旱實驗，最終確定?2?號染色體上?~6.66?Mb?的區間對根系表型具有最大貢獻率。與此同時還構建了回交群體，目前正在對包含目標區間的回交個體進行鑒定，并挖掘可能的候選分子模塊。

葉夾角分子模塊的解析及初步應用

葉夾角是決定玉米株型的一個主要因素，與產量及耐旱性密切相關。劉宏濤研究組發現玉米葉夾角突變體?WF01?和?WF02?均是由莖尖分生組織特異表達基因?RS1?的異位表達所致。通過啟動子序列分析，發現?WF01?和?WF02?中?RS1?基因的??758?bp?處插入了一個?1089?bp?的反轉錄轉座子?Flourf?長末端重復序列。此外，將這?2?個分子模塊分別導入到“昌?7-2”中，以組配改良的“鄭單?958”。初步測產結果表明?WF01?回交改育的材料與“鄭單?958”的產量相當；下一步將繼續通過回交以純化背景并提高種植密度，對改良系在正常及水分脅迫條件下的表現與“鄭單?958”進行比較分析。

通過分子模塊先導專項的開展，我國科研人員在玉米分子模塊設計育種方面取得了一定的進展，挖掘到多個具有重要應用價值的玉米水分高效利用分子模塊，并對部分模塊的作用機理、調控網絡及功能進行了分析。下一步仍需要繼續深入探索玉米水分脅迫調控的遺傳網絡，鑒定關鍵分子模塊，挖掘優異等位變異，建立“分子模塊—水分脅迫調控性狀”的關聯；同時通過多模塊計算模擬和定向設計育種技術將這些關鍵分子模塊進行優化設計、耦合和組裝，定向改良底盤品種，縮短育種周期，實現玉米水分高效利用新品系的創制。