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2021年6月24日，国际学术期刊 Genome Biology 由华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室与红山实验室戴明秋教授、杨万能教授共同发表题为《Using high-throughput multioptical phenotyping to deciphering the Genome Architecture》的网络刊物。湖北省为通讯作者。玉米耐旱性”研究论文。该研究利用高通量多光学表型技术，连续无损检测368个玉米材料自然种群在多个生育期、正常浇水和干旱胁迫下的玉米表型，获得了丰富的基于图像的相关性状（i-traits），结合GWAS分析，鉴定了大量与干旱胁迫相关的候选基因和QTL，构建了基因与i-traits之间的关联网络，揭示了遗传玉米抗旱及驯化改良的基础 缺失的潜在抗旱位点为玉米抗旱遗传改良和抗旱育种提供了新的遗传资源和丰富的遗传“宝库”。

在世界范围内，玉米是重要的粮食作物，也是重要的饲料和工业原料。形势发生了变化，人口不断增长，水资源逐渐稀缺，干旱日益频繁。干旱是导致玉米减产的主要自然灾害。严重干旱甚至会导致玉米粒收不成，造成巨大损失。因此，如何有效提高玉米的耐旱性，培育抗旱新品种，是保障粮食安全的迫切需要。

玉米的抗旱性研究离不开表型的观察和检测。然而，由于存在“表型瓶颈”，即传统获取干旱表型性状的方法测量通量低、耗时、费力、测量精确。破坏性测量低、频率高等不足，已不能满足蓬勃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。近年来，以智能化、高通量、无损检测为主要特征的表型技术的快速发展，使得在多时空尺度上检测表型成为可能。系统检测表型。

本研究使用368份天然玉米种群材料，分为干旱组和对照组，对玉米进行多光谱检测和图像采集，获得多个时间点的光谱图像（10个时间点的RGB图像）分）。 , 4 个时间点的高光谱图像，3 个时间点的 CT 图像）；结合自主开发的图像处理程序，对i-traits进行分析提取，最终得到数以万计的与干旱胁迫相关的i-traits（图1）。

图1. 获得大量响应玉米干旱的i-性状。一种。表型分析平台及实验设计；湾高光谱成像 (HSI)、X 射线计算机断层扫描 (CT) 和彩色相机 (RGB) 图像分析以及 i-traits 计算和提取。

筛选得到干旱胁迫相关i-性状后，通过全基因组关联（GWAS）分析鉴定出两千多个干旱胁迫相关候选基因；该构建是基于候选基因通路富集分析的结果构建的基因和i-traits的关联网络（图2）。为了验证候选基因在调控光谱表型和抗旱性方面的生物学功能，从候选基因中进一步筛选鉴定了两个抗旱功能未知的基因ZmcPGM2（参与糖代谢）和ZmFAB1A（参与磷酸肌醇代谢）。基于突变体的研究表明，ZmcPGM2（参与糖代谢）和 ZmFAB1A 可以调节相应的光谱表型，并负调节玉米的抗旱性。

图 2. 响应 i 性状的玉米干旱胁迫的遗传分析。一种。基因与i-traits的关联网络；湾候选基因在糖代谢途径中富集； C。候选基因富含磷酸肌醇代谢途径。

进一步分析筛选得到的大量与干旱胁迫响应相关的候选基因和i-性状发现，这些候选基因和i-性状可以很好地预测玉米的干旱表型并表明它们可能在玉米抗旱育种和改良方面具有重要应用价值，可作为潜在的生物标志物（图3）。

图 3. 候选基因和 i-traits 的潜在应用。一种。使用全基因组选择模型预测玉米的成活率； b-f。使用15个i-traits预测玉米成活率（b）和4个农业遥感领域常用的光谱指数（c-f）。

综上所述，本研究通过高通量多光表型采集和GWAS分析，鉴定了大量与干旱胁迫响应相关的i-性状以及调控这些i-性状和抗旱性的候选基因。 . ,在玉米抗旱育种中可能具有重要的应用价值。本研究拓宽了抗旱相关研究和基因挖掘的思路，为玉米抗旱遗传改良和抗旱育种提供了新的遗传资源和丰富的遗传“宝库”。

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