干旱是造成全世界作物产量损失的主要环境灾难。代谢物参与了植物的各种环境胁迫反应。然而，作物环境胁迫适应所依据的代谢组的遗传控制仍然是未知的。
2021年9月6日，来自华中农业大学代明球、陈伟等研究团队在Genome Biology上在线发表了题为“Genomicbasis underlying the metabolome-mediated drought adaptation of maize”的研究论文，对385个玉米自然近交系的叶片进行了非靶向代谢分析，这些近交系在充足的水分和干旱胁迫条件下生长。
干旱是一种主要的环境压力，威胁着作物的生存和产量，对人类社会产生了关键的影响。在人类历史上，干旱甚至导致了一些文明的崩溃。据预测，2050年世界人口将达到约90亿，到那时，粮食需求将比现在多70%。玉米（Zea mays）因其营养价值和高产量而成为世界上主要的谷类作物。到2050年，预计玉米将供应50%以上的谷物需求，以养活不断增长的人口。尽管在过去的几十年里，玉米的产量得到了提升，但其干旱敏感性也随之增加。此外，全球变暖和极端气候变化正在增加可耕地的干旱频率。因此，如何通过遗传和分子方法提高作物的抗旱性成为研究的核心兴趣。
植物的耐旱性状是复杂的，受许多定量性状位点（QTLs）的调控，影响不大。为了了解玉米抗旱性的遗传基础，通过连锁或关联图谱策略确定了干旱反应中与植物生物量、高度和开花-吐絮间隔（ASI）相关的一些QTLs。严重干旱胁迫后的存活率，很大程度上表明植物在干旱胁迫下节水机制的激活，已被广泛用作克隆植物抗旱基因的一个指标。
最近，通过候选关联分析或全基因组关联研究(GWAS)，以存活率为指标，克隆了几个玉米耐旱基因并进行了功能研究。到目前为止，大多数关于玉米抗旱性的研究都集中在几个容易测量的性状上。然而，干旱会引起许多生化和生理反应。
代谢物是小分子，认为是代谢物过程和生理途径的最终产物。基于气相色谱法（GC）或液相色谱法（LC）结合质谱法（MS）的代谢物分析是研究植物对各种环境胁迫的代谢反应的有力方法。代谢物分析的研究表明，植物对各种环境胁迫，包括冷、热和盐胁迫，会产生许多结构不同的代谢物。一些重要的代谢物及其相关基因已被证明在植物抗旱中起作用。
最近，利用近交系或杂交系揭示了玉米植物在几个组织中对干旱胁迫的代谢反应。发现几个QTLs与干旱反应中的几个代谢产物有关。此外，大多数对作物群体水平代谢组的研究，包括代谢物分析和遗传剖析，都集中在正常条件下生长的群体。然而，作为植物环境胁迫适应基础的群体级和全基因组代谢物的自然变异和遗传控制，包括玉米干旱适应中的代谢物，仍然难以捉摸。
该研究对一个由385个自然近交系组成的多样化的玉米小组进行了全基因组代谢物分析，确定了3890种代谢物，其中1035种在水分充足（WW）和干旱胁迫（DS）条件下在玉米植株中不同程度地积累，代表了玉米干旱反应和耐受性的有效指标。探讨了这些干旱反应性代谢物的遗传控制。进一步验证了两个中心候选基因Bx12和ZmGLK44在调节苯并恶唑啉和色氨酸生物合成以及玉米抗旱性方面的作用，通过全面的遗传和分子方法。
总之，该研究结果首次揭示了作物干旱反应中的群体水平代谢组，并揭示了这些代谢组的自然变异和遗传控制，表明多组学是剖析作物复杂性状遗传机制的强大策略。
参考消息：
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-021-02481-1
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