[背景]RNA表达丰度作为一种生物标记物已广泛应用于临床诊断阶段,但在农业栽培中诊断作物营养状况的应用较少.[目的]挖掘和验证转录水平上可以作为生物标记物精确指示玉米氮营养状况的基因,指导精准施用氮肥.[方法]基于不同氮素处理的基因芯片和RNA-Seq数据,通过生物信息学和统计学方法初步筛选出基因表达丰度高度响应氮素处理的生物标记物候选基因;利用不同基因型、不同氮处理的玉米材料,通过荧光定量PCR方法和凯氏定氮法,进一步筛选氮响应生物标记物基因;并构建预测玉米氮状况的广义线性模型,准确指示玉米氮营养状况.[结果]首先初步筛选出10个表达水平较高的基因,且mRNA表达丰度高度响应氮素处理的生物标记物候选基因;利用不同氮素条件下种植的B73材料从10个候选基因中进一步筛选出8个在充足氮、限制氮处理后基因表达丰度存在显著差异的基因;随后选取遗传多样性丰富、生态区域广泛的26种自交系材料和4种杂交种材料进一步筛选,发现有4个基因表达独立于基因型,可以在不同基因型玉米材料中稳定表达;并且通过相关性分析发现,在充足氮和限制氮处理下,这4个基因表达丰度差异与穗位叶总氮含量差异具有显著相关性(R2均大于0.6),表明这4个基因可以作为氮响应生物标记物进行实际应用;将4个氮响应生物标记物基因分别组合构建两基因、三基因、四基因线性模型,由Zm00001d024281(X2)、Zm00001d039049(X3)和Zm00001d037680(X4)这三个基因构建的线性模型用于预测玉米植株氮状况的应用性最强,其函数关系为Y=1.143+0.017X2-0.302X3+0.017X4;选取大田种植的6个杂交种材料对三基因模型预测功能进行验证,结果表明,三基因模型能够在大田环境中准确诊断玉米植株氮素营养状况.[结论]获得4个高度响应玉米氮状况的生物标记物基因,构建的三基因模型可以准确预测玉米氮素营养状况.该生物标记物的开发可以有效实时监测玉米植株氮状态,优化氮肥使用,从而实现成本最低时农作物产量的最大化.

玉米;生物标记物;氮素;穗位叶;总氮测定;广义线性模型

石习;宁丽华;葛敏;邬奇;赵涵

南京农业大学农学院,南京 210014;江苏省农业科学院种质资源与生物技术研究所/农业生物学省级重点实验室,南京 210014

中国农业科学

[1]石习;宁丽华;葛敏;邬奇;赵涵-.玉米氮状况相关生物标记物的筛选和应用)[J].中国农业科学,2022(03):438-450

Zm00001d024281,Zm00001d039049,Zm00001d037680,143+0,017X2,302X3+0,017X4

生物标记物,断阶,农业栽培,作物营养,转录水平,氮营养,施用,氮肥,素处理,基因芯片,Seq,统计学方法,初步筛选,物候,候选基因,不同基因型,氮处理,凯氏定氮法,广义线性模型,下种,B73,遗传多样性,生态区域,自交系,杂交种,稳定表达,穗位叶,总氮含量,含量差异,显著相关性,别组,两基,三基,四基,基因线,玉米植株,函数关系,大田种植,预测功能,氮素营养状况,准确预测,化氮,现成,成本最低,农作物产量,总氮测定

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