幼苗根系特征影響植物在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中的建立。珍珠小米是最耐熱、最耐旱的谷物作物之一，為撒哈拉以南薩赫勒地區(qū)提供了重要的糧食來源。
2024年1月31日，蒙彼利埃大學(xué)，在elife雜志發(fā)表了題為“Glutaredocxin regulation of primary root growth is assiociated with early drough stress tolerance in pearl millet”的文章，發(fā)現(xiàn)了珍珠小米中PgGRXC9通過調(diào)節(jié)細(xì)胞伸長調(diào)控主根生長，并且與早期抗旱性相關(guān)。
珍珠小米
GWAS、轉(zhuǎn)錄組
作者對21年的氣象數(shù)據(jù)（種子發(fā)芽時(shí)的降水量及降水時(shí)間，以及與第二次大量降水之間的間隔）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，評估珍珠小米何時(shí)面臨干旱壓力，并預(yù)測對作物產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，早期干旱是西非薩赫勒農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在營養(yǎng)階段影響作物的主要制約因素。（圖1A）
圖1 田間條件下測量的早期主根生長及其與干旱耐受性相關(guān)特征的相關(guān)性
作者對853株珍珠小米主根進(jìn)行測量，結(jié)果表明具有遺傳多樣的珍珠小米，主根長度也具有多樣性（圖1B）。
2年的田間實(shí)驗(yàn)，9個(gè)品種在3-6月模擬干旱，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量根部及地上生理參數(shù)，結(jié)果表明主根的快速生長有利于珍珠小米應(yīng)對發(fā)芽后的早期干旱壓力（圖1C~D）。
對珍珠小米自交系進(jìn)行測序進(jìn)行基因分型，在篩選質(zhì)量后，本研究中選擇了392216個(gè)SNPs，用于122個(gè)具有表型的自交系進(jìn)行GWAS。分析顯示，珍珠小米基因組中共有447個(gè)與主根生長相關(guān)的顯著SNPs。（圖2A）
為了驗(yàn)證GWAS分析，作者從兩個(gè)具有對比早期主根生長的自交系中生成了一個(gè)雙親群體，CML-IS 11155（低初生根生長）和SL2（高初生根生長）。這兩個(gè)品系之間主根生長的差異得到了證實(shí)，從而證明它們對比的主根表型是穩(wěn)健的，并且獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
將SL2和ICML-IS 11155系進(jìn)行雜交，并對737株F2植物與其親本（33株ICML-IS 111 55和30株SL2植物）進(jìn)行早期根系生長表型分析。針對每個(gè)極端表型選擇75個(gè)F2植物進(jìn)行測序及GWAS分析，并于之前的群體GWAS分析結(jié)果共分析，結(jié)果表明，共有18個(gè)顯著的SNP。
為了確定導(dǎo)致兩個(gè)親本系ICML-IS 11155和SL2之間根系生長變化的細(xì)胞過程，作者使用共聚焦顯微鏡對從靜止中心開始的根尖細(xì)胞伸長進(jìn)行成像和測量（圖2C）。雖然兩個(gè)系的細(xì)胞生產(chǎn)率相似（圖2D），但SL2（快速生長系）表現(xiàn)出明顯高于ICML-IS 11155的細(xì)胞伸長率（圖2E）。因此，自交系SL2（快速生長）和ICML-IS 11155（慢速生長）之間根系生長的顯著差異主要是由根細(xì)胞伸長的變化引起的。
由于兩個(gè)親本系之間根系生長的差異主要是由細(xì)胞伸長引起的，作者假設(shè)這可能與根尖中表達(dá)的基因有關(guān)。因此使用RNAseq分析了近交系ICML-IS 11155（緩慢生長）和SL2（快速生長）的主根尖（2cm頂點(diǎn)）中的基因表達(dá)。發(fā)現(xiàn)1778個(gè)基因在兩個(gè)對照品系之間的基因表達(dá)存在顯著差異。并發(fā)現(xiàn)了一些在根尖中表達(dá)的基因在當(dāng)前版本的珍珠小米參考基因組中沒有注釋。
圖2 珍珠小米主根長度的遺傳解剖及對比珍珠小米品系根尖分生組織和主根生長的分析
根長QTL區(qū)域的重新測序揭示了一個(gè)新的GRX編碼基因
作者對1號染色體上最顯著的GWAS標(biāo)記-性狀關(guān)聯(lián)周圍的1-Mbp基因組區(qū)域進(jìn)行了重點(diǎn)分析，重新注釋顯示了一個(gè)新的465 bp CDS，在顯著相關(guān)的SNP下游1103 bp（chr1_231264526，圖3A，B）。這種新的CDS編碼一種與GRXC9樣蛋白具有強(qiáng)同源性的蛋白，并命名為PgGRXC9。
該基因座的兩個(gè)等位基因都存在在群體（C或G）中，攜帶純合C/C等位基因的植物（占21.3%）的根生長顯著高于攜帶G/G純合等位基因（占60.7%；圖3C）
與攜帶較低生長等位基因的品系（圖3D）相比，攜帶與較高根系生長相關(guān)的等位基因的品系的根尖中PgGRXC9的表達(dá)顯著更高（圖3D）。使用RNAscope技術(shù)的原位雜交顯示了該基因在根尖和伸長區(qū)的中柱和表皮中的表達(dá)（圖3E）。
然后作者使用RNAseq數(shù)據(jù)來搜索用于BSA的兩個(gè)對照親本系之間的多態(tài)性。在兩個(gè)親本系之間預(yù)測的基因編碼序列中沒有發(fā)現(xiàn)序列多態(tài)性。然而，在5′UTR區(qū)域檢測到兩個(gè)多態(tài)性?？傊Y(jié)果表明，PgGRXC9是根系生長的正調(diào)控因子，PgGRPC9啟動子區(qū)的多態(tài)性可能導(dǎo)致其表達(dá)水平的變化，并最終導(dǎo)致兩個(gè)品系之間根系生長的定量差異。
圖3 珍珠小米主根長度候選基因的鑒定
為了驗(yàn)證PgGRXC9表達(dá)水平的變化導(dǎo)致根系生長變化的假設(shè)，作者在模式植物擬南芥中研究了其直系同源物。擬南芥中最接近的同源物是ROXY19（AT1G28480），在蛋白質(zhì)水平上具有56%的同一性（圖4A；）。所有重要的氨基酸在PgGRXC9中都是保守的（圖4）。
利用Nossen（No-0）背景中可用的roxy19空突變體（Huang et al.，2016）來研究其功能。與野生型生態(tài)型相比，roxy19的主根生長減少（0號；圖4B，C）。更仔細(xì)的檢查顯示，roxy19根生長的缺陷是由于細(xì)胞伸長的減少（圖4D），而突變體和野生型的細(xì)胞生產(chǎn)速率相似（圖4E），因此模擬了在珍珠小米中觀察到的表型。功能研究表明，擬南芥中PgGRXC9最接近的同源物ROXY19是通過調(diào)節(jié)細(xì)胞伸長來調(diào)節(jié)根系生長的正調(diào)控因子。
圖4 PgGRXC9的擬南芥同源物調(diào)節(jié)根的生長
文獻(xiàn)解讀：
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排版：野凌
審核：三黍生物企宣部
