论文标题：Morphological Characterization and Transcriptome Analysis of New Dwarf and Narrow-Leaf (dnl2) Mutant in Maize（玉米矮化窄叶突变体 dnl2 的形态特征及转录组分析）

期刊：IJMS

作者：Lulu Han, Chenggong Jiang, Wei Zhang, Hongwu Wang, Kun Li, Xiaogang Liu, Zhifang Liu, Yujin Wu, Changling Huang and Xiaojiao Hu

发表时间：12 January 2022

DOI：10.3390/ijms23020795

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研究团队介绍

中国农业科学院作科所黄长玲研究员和胡小娇副研究员为本论文的通讯作者，硕士研究生韩璐璐为本论文的第一作者。本研究由海南省三亚亚子湾科技城联合项目、国家自然科学基金项目、CAAS 农业科技创新计划、国家作物分子育种工程实验室资助。作科所玉米高产育种团队长期致力于玉米遗传育种和品种开发推广，选育出中单909中单808、中单868等高产优质玉米新品种21个，品种累计推广面积超1亿亩，为国家粮食增产超过110亿斤，创造了显著的社会经济效益。在分子遗传方面主要从事：1) 玉米籽粒发育关键基因的克隆和代谢调控网络研究；2) 玉米抗逆相关性状的基因挖掘和代谢调控网络研究；3) 玉米杂种优势的转录组、蛋白组学研究。

玉米 (Zea mays L.) 是世界上最重要的谷类作物之一。研究表明，提高种植密度是增加玉米单位面积产量潜力的重要途径[1]。然而，较高的种植密度会引起玉米基部节间伸长，株高穗位高增加，叶面积增大，从而增加倒伏风险[2,3]。株高和叶形是与玉米抗倒伏能力、光合作用和籽粒产量密切相关的重要株型性状，因此解析株高和叶形发育调控机制对玉米密植增产具有重要理论意义[4]。

中国农业科学院作科所黄长玲研究员团队在 International Journal of Molecular Sciences (IJMS) 上发表文章"Morphological Characterization and Transcriptome Analysis of New Dwarf and Narrow-Leaf (dnl2) Mutant in Maize"。研究团队发现了一个玉米矮化窄叶突变体 dnl2，该突变体表现出茎节缩短、株高降低、叶片变窄等多种发育缺陷。基因定位结果表明，该突变体受9号染色体上的一个隐性单基因控制。作者通过形态和细胞学观察，激素含量测定及转录组分析，解析了 dnl2 突变表型产生的可能机制。

结果和分析

dnl2 与野生型的表型和细胞学分析

研究团队观察表型后发现，dnl2 突变体的株高和穗位高较野生型显著降低，茎秆节间长度明显缩短，植株叶片长度和宽度均小于野生型 (图1)。

图1. dnl2 突变体和 WT 的表型比较。

细胞学观察显示，茎节中 dnl2 维管束结构发生明显改变，主要表现为表皮下方维管束面积显著减小，约为野生型的44.3%，维管束周围厚壁细胞层数明显减少，表皮下方和维管束周围的厚壁细胞壁较野生型分别变薄39.2%和29.9% (图2)。

图2. dnl2 和野生型 V15 期第七节间的扫描电镜观察。(A, B) dnl2 和野生型茎节横切面扫描电镜图；(C, D) dnl2 和野生型的维管束面积和薄壁细胞直径比较。橙色箭头表示维管束，绿色箭头表示薄壁细胞，**p<0.01。

此外，dnl2 茎秆细胞生长受到明显抑制，茎节中细胞长度和宽度分别较野生型减小45.5%和46.7%。在叶片中，dnl2 的相邻大叶脉之间的小脉数量较野生型减少了35.7%，叶宽方向的细胞数目和细胞宽度较野生型减小15.13%和17.6%(图3)。研究结果表明，dnl2 茎秆和叶片中维管束和细胞壁结构改变，细胞生长和增殖受抑制是其矮化窄叶突变表型产生的结构原因。

图3. dnl2 和野生型成熟期叶片横截面的比较。(A, B) 叶片横切面显微观察；(C) 叶片横切面观察；标尺=1cm；(D) dnl2 和野生型的大叶脉数目；(E) dnl2和野生型的小叶脉数目；(F) dnl2 和野生型的叶宽；**p<0.01。

dnl2 与野生型的激素水平测量

植物激素，如赤霉素 (GAs)、生长素 (IAAs)、乙烯 (ETH) 和油菜素内酯 (BRs)，在决定植物株型性状中发挥着重要作用，包括株高、叶片形态、分蘖数和籽粒大小[5]。在株高性状方面，玉米已克隆的基因主要与植物激素的生物合成和信号转导有关。GAs 为环状二萜化合物，对茎的伸长和株高控制至关重要[6]，生长素是植物发育和生长的重要信号化合物[7]。与野生型植物相比，dnl2 突变体茎节和叶片中的植物激素水平显著降低，特别是生长素和赤霉素，其中 GA 减少了30.62–40.03%，IAA 减少29.1–40.32% (图4)。

图4. dnl2 和野生型茎节和叶片的激素含量的测定，(A) IAA 含量的测定；(B) GA 含量的测定；(C) ABA 含量的测定；**p<0.01。

dnl2 突变体的基因初定位

为了定位 dnl2 基因，研究团队将杂合植株 (+/dnl2) 与 Mo17 自交系杂交，构建 F2 分离群体。在 F2 群体中挑选64株矮化突变体提取 DNA，并利用基于靶向基因型检测技术 (Genotyping by Target Sequencing, GBTS) 进行了基因型分析。筛选出7357个单核苷酸多态性标记，占标记总数的36.3%。每个染色体上的 SNP 标记数平均为736个，1号染色体上的 SNP 标记数最大为1298个。作者通过分析全基因组水平上所有多态性 SNP 对应的 SNP-Index 变化，发现9号染色体上26.9M-76.1M区间与目标性状显著相关 (图5)。

图5. SNP-index 的全基因组分布。

dnl2 和野生型的转录组学分析

为解析 dnl2 表型产生的分子机制，研究团队进一步对 dnl2 突变体和野生型节间组织进行的转录组分析。RNA-seq 结果表明，差异表达的基因 (DEGs) 主要富集在植物激素生物合成和信号转导，及细胞壁生物合成和重塑等代谢途径中。其中超过100个差异表达基因与 IAA、GA、ABA、ETH、BR 等植物激素的合成和信号转导相关。例如，IAA 合成相关基因 YUC (Zm00001d018652)和转运相关基因AIC2 (Zm00001d053004) 在 dnl2 中表达分别下调表达2.75和9.3倍。与 GA 合成相关的 DWARF1 基因在 dnl2 中表达下调表达6.43倍 (图6)。此外超过130个差异表达基因参与了细胞壁的合成和代谢，其中66.7%的基因均在 dnl2 中下调表达。以上结果表明激素和细胞壁相关基因在转录水平的差异表达可能通过影响细胞生长来调控株高和叶片形态发育。

图6. DEGs 参与植物激素的生物合成和信号转导。(A) 参与生长素的生物合成和信号转导的差异表达基因。(B) 参与赤霉素的合成和信号转导的差异表达基因。深蓝色和深红色分别代表低表达和高表达。

结论

本文中，作者发现了一个隐性的玉米突变体 dnl2，它表现出节间较短、叶片狭窄和各种发育缺陷。遗传分析表明，DNL2 位于第9号染色体的着丝粒附近。作者通过对 dnl2 与野生型的表型、细胞学和生化比较，发现 dnl2 节间和叶片的细胞生长、维管束模式、细胞壁结构和植物激素含量都发生了改变，作者认为其是导致表型缺陷的主要原因。转录组分析进一步证实了参与细胞壁发育、植物激素合成和信号转导的关键基因在 dnl2 与野生型植物之间存在差异表达。本研究为进一步阐明玉米株高和叶型调控的分子机制提供了重要线索。

参考文献

Duvick, D.N. Genetic Progress in yield of united states maize (Zea mays L.). Maydica 2005, 50, 193-202.

Baker, C.J.; Sterling, M.; Berry, P. A generalised model of crop lodging. J Theor Biol 2014, 363, 1-12.

Ciampitti, I.A.; Vyn, T.J. Physiological perspectives of changes over time in maize yield dependency on nitrogen uptake and associated nitrogen efficiencies: A review. Field Crops Res 2012, 133, 48-67.

Donald, C.M. The breeding of crop ideotypes. Euphytica 1968, 17, 385-403.

Wang, B.; Smith, S.M.; Li, J. Genetic regulation of shoot architecture. Annu Rev Plant Biol 2018, 69, 437-468.

Guardiola, J.L. Plant hormones. Physiology, biochemistry and molecular biology. Scientia Horticulturae 1996, 66, 267-270.

Teale, W.D.; Paponov, I.A.; Palme, K. Auxin in action: signalling, transport and the control of plant growth and development. Nat Rev Mol Cell Biol 2006, 7, 847-859.

IJMS 期刊介绍

主编：Maurizio Battino, Marche Polytechnic University, Italy

期刊主要发表生物化学与分子生物学、生物材料、生物物理、生物医学和化学等分子相关的研究。

2020 Impact Factor：5.924

2020 CiteScore：6.0

Time to First Decision：16 Days

Time to Publication：34 Days