玉米全基因组水平气孔关闭响应干旱胁迫的关键基因鉴定及分子机制解析

为解析玉米抗旱性分子机制，研究人员通过比较抗旱型(CML493)和敏感型(XUN971)玉米自交系，开展全基因组转录组分析，鉴定出571个上调基因(涉及氧化还原、蛋白磷酸化等通路)和1158个下调基因(光合作用相关)，发现ZmEIL5、ZmIAA25等12个关键候选基因调控气孔关闭，为玉米抗旱育种提供新靶点。该成果发表于《Plant Physiology and Biochemistry》。

　　

全球气候变化加剧导致干旱频发，作为世界主要粮食作物的玉米面临严重减产威胁。在这场与干旱的生存博弈中，植物演化出精妙的气孔调控机制——通过快速关闭叶片表面的气孔来减少水分流失。然而，作为单子作物的玉米，其气孔响应干旱的分子机制远不如双子叶模式植物拟南芥研究得透彻。目前已知的核心通路如ABA信号转导、Ca²⁺波动等虽保守存在，但物种特异性调控元件仍是未解之谜。这种认知缺口严重制约了玉米抗旱育种的精准设计。

河南农业大学的研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》发表的研究中，巧妙利用自然变异策略，筛选出抗旱表型差异显著的玉米自交系CML493和XUN971。前者在离体叶片失水率、存活率等指标上展现出显著优势，其气孔关闭速度比后者快30%。通过RNA-seq技术构建干旱响应基因网络，结合KEGG富集分析，研究人员系统解析了玉米气孔调控的分子图谱。

关键技术包括：16h/8h光周期控制的标准化干旱处理、离体叶片失水率测定、光合参数监测、Illumina平台转录组测序、加权基因共表达网络分析(WGCNA)等。实验样本采用CIMMYT和中国本土的两种自交系进行表型对比。

【CML493 exhibits greater resistance to drought stress than XUN971】
脱水实验显示CML493离体叶片6小时失水率比XUN971低15%，田间干旱处理下存活率高2.3倍。叶绿素荧光参数Fv/Fm(光系统II最大光化学效率)在CML493中保持0.82的稳定水平，而XUN971降至0.68，证实前者具有更强的光合系统稳定性。

【Genome-wide identification of DEGs】
转录组分析鉴定出1729个差异基因，其中上调基因主要富集在氧化还原(NADPH氧化酶活性)、蛋白激酶级联(如ZmMAPK19)、ABA信号(ZmPYLs家族)等通路；下调基因则集中于光系统II组装、叶绿体rRNA加工等光合相关过程。值得注意的是，钙信号通路关键组分ZmMCU4(线粒体钙单向转运蛋白)表达量增加4.1倍，暗示其在气孔运动中的新功能。

【Key candidate genes validation】
研究发现12个核心调控因子形成多维调控网络：乙烯信号转导因子ZmEIL5与生长素响应蛋白ZmIAA25/ZmIAA44构成激素交叉对话节点；细胞骨架重构关键酶ZmADF14(肌动蛋白解聚因子)表达上调3.8倍；质膜定位的ZmABCG40(ABC转运蛋白)可能参与保卫细胞溶质渗透压调节。

这项研究首次在玉米中构建了气孔干旱响应的全基因组调控图谱，揭示单子作物特有的ZmMCU4-ZmMAPK19-ZmSLAC1信号轴。理论层面深化了对单子植物气孔调控特异性的认知，实践层面为分子设计育种提供了ZmADF14等可操作靶点。特别值得注意的是，研究中发现的ZmIAA25/44与拟南芥同源基因功能分化现象，为后续研究单双子叶植物气孔演化差异提供了新线索。随着全球干旱加剧，这些发现对保障粮食安全具有重要战略价值。