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为解析玉米茎秆强度遗传调控机制，研究人员分析两个品系转录组，确定关键基因，助力相关研究。
玉米，作为全球重要的粮食、饲料及能源作物，在人们的生活中扮演着举足轻重的角色。想象一下，大片的玉米田在微风中摇曳，那是丰收的希望。然而，一个棘手的问题却困扰着种植户们 —— 玉米茎秆倒伏。这不仅影响了玉米的产量，还对机械化收割造成了阻碍，让农民们的辛勤劳作大打折扣。玉米茎秆强度是影响倒伏的关键因素，它如同一个神秘的黑匣子，由复杂的生物过程调控，涉及表皮厚度、木质素和纤维素在细胞壁的沉积等多个方面。尽管此前有研究对玉米茎秆进行了探索，但茎秆发育和强度形成的遗传调控网络仍未完全明晰。在此背景下，山东农业大学的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》上。
为了揭开玉米茎秆发育和强度形成的遗传奥秘，研究人员运用了多种关键技术方法。他们选取了 CML323（强茎秆）和 W22（弱茎秆）两个自交系作为实验材料，在山东农业大学实验站进行种植。从玉米的第七叶期（V7）到吐丝期（R1），测量第三茎节的外皮穿刺阻力以评估茎秆强度，并采集样本。随后，提取样本 RNA 并构建 cDNA 文库，在 NovaSeq 平台进行测序。利用 fastp 软件对 RNA-seq 数据进行质量控制，将过滤后的数据映射到 B73 参考转录组，并计算转录本每百万映射读数（TPM）值。通过多种生物信息学分析方法，如差异表达分析、基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）等，深入挖掘数据背后的生物学意义。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 转录组数据生成：研究人员成功构建了 53 个转录组文库，共鉴定出 16,496 个动态表达基因，其中包含 1,048 个转录因子基因。这些数据为后续研究提供了丰富的资源。
- 发育阶段划分与基因表达模式：通过层次聚类分析，将玉米茎秆发育分为四个阶段：早期生长阶段（I 期，V7 + V8）、早期伸长阶段（II 期，V9 + V10）、晚期伸长阶段（III 期，V12 + V14 + V15）和成熟阶段（IV 期，VT + R1）。不同阶段有不同的基因表达特征，例如 I 期与细胞分裂相关基因活跃表达；II 期涉及细胞分化和细胞壁强化；III 期主要是茎秆外皮和维管束快速发育及强度形成；IV 期则是营养生长向生殖生长过渡，与防御反应和营养运输相关基因表达增加。
- 共表达聚类与功能注释：对动态表达基因进行模糊 c - 均值聚类，将其分为九个共表达簇。GO 富集分析表明，不同簇在不同阶段参与特定的生物学过程，如光合作用、细胞壁生物合成、激素信号传导等，进一步揭示了玉米茎秆发育的分子机制。
- 差异表达基因分析：在 V8、V10 和 V14 三个阶段，研究人员鉴定出大量差异表达基因（DEGs）。KEGG 富集分析显示，这些差异表达基因主要集中在苯丙烷生物合成和类黄酮生物合成等途径，这些途径可能是导致两个玉米品系茎秆强度差异的主要因素。此外，还发现了许多差异表达的转录因子，如 MYB、WRKY、NAC 等家族，它们在调控茎秆发育和强度形成中可能发挥重要作用。
- 关键基因的鉴定：通过 WGCNA 分析，研究人员确定了与茎秆强度显著相关的蓝色模块，并从中筛选出 84 个关键模块成员基因（kME>0.8）。将这些基因与差异表达基因交叉分析，发现了 20 个可能对玉米茎秆发育和强度形成有重要影响的基因，其中 6 个基因（ZmWAKL43、ZmWAT1R、ZmHB128、Zm00001d039338、Zmmcf1 和 ZmNAC76）在共表达网络中连接较多，可能起着关键调控作用。
研究结论和讨论部分指出，该研究构建了玉米茎秆从 V7 到吐丝期的转录组时间序列，全面展示了基因表达的动态变化。研究发现的差异表达基因在苯丙烷和类黄酮生物合成途径中富集，这与茎秆强度形成密切相关。通过 WGCNA 和差异表达分析预测的关键基因，为深入研究玉米茎秆发育和强度形成的遗传机制提供了重要线索。然而，这些关键基因在玉米茎秆发育中的具体作用仍有待进一步探索。该研究成果为后续研究奠定了坚实基础，有助于推动玉米抗倒伏品种的选育，提高玉米产量和质量，对农业生产具有重要的指导意义。
