气候变化基因组学 | Genome Biology特刊

全球气候变化不仅会对人类产生破坏性的影响，对我们周围的植物、动物和微生物也同样如此。而它们都是我们赖以生存的所必须的环境条件。基因组学的发展使科学家们能够更好地了解生物体如何受到未来气候变化的影响并能够适应这种变化。虽然我们必须尽力阻止气候变化，但我们也必须利用我们的资源和知识来更好地了解未来的后果，并利用基因组学资源来更好地适应变化的环境。Genome Biology设立了一本关于气候变化基因组学的特刊。

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遗传控制机制仍然未知。本文中，我们对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与干旱胁迫条件下生长。共鉴定了3890种代谢物，其中1035种在水分充足和干旱胁迫条件下存在差异，代表了玉米干旱反应和耐受性的有效指标。遗传分析揭示了这些代谢物与数以千计的单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphisms, SNPs）之间的关联。它们代表了3415个代谢物定量性状位点（metabolite quantitative trait loci, mQTLs）和2589个候选基因。78.6%的mQTLs（2684/3415）是新的干旱反应QTLs。对197个玉米自然近交系的叶片转录组的表达QTL（expression QTL, eQTL）分析，揭示了控制候选基因表达的调控变异。综合代谢组和转录组检测结果，确定了几十个环境特异性中心基因及其基因——代谢物调控网络。综合遗传和分子生物学研究，揭示了两个关键基因Bx12和ZmGLK44在调控玉米代谢物生物合成和抗旱性方面的作用和机制。

本研究首次测定了作物干旱反应中群体水平的代谢组，并揭示了这些代谢组的自然变异和遗传控制，表明多组学方法是剖析作物复杂性状遗传机制的强大策略。

了解温度适应的遗传结构是描述和预测气候变化对自然种群影响的关键。一个特别值得相信的方法是进化与重测序，它将实验进化与的优势，如时间序列、复制种群和受控环境条件，与全基因组测序相结合。最近对来自两个不同的果蝇模拟起始种群的后代进行了分析，这些种群正在适应相同的热环境，发现了非常不同的机制——许多选择靶标，在后代种群之间有很大的异质性，而较少的选择靶标，在后代种群之间有较高的一致性。

本文将来自葡萄牙的初始种群暴露在寒冷的温度下。尽管在高温和低温选择机制中几乎没有共享的选择靶标，但适应性的机制是相似的。我们发现，在强选择下的靶标数量适中（19个选择靶标，平均选择系数=0.072），在低温适应进化的后代中也有类似的过程。这种在不同环境下的相似性表明，适应性演化更多地取决于初始种群，而不是具体的选择机制。这些观察结果将对正确解释自然种群对不断变化气候的基因组适应产生广泛影响。

干旱威胁着世界人口的粮食供应。由于这些反应的遗传控制机制在很大程度上仍然是未知的，剖析植物对干旱的动态反应将有利于培育耐旱作物。本文开发了一个高通量的多重光学表型系统，在98天内对368种玉米基因型在有无干旱压力的条件下无创获取其表型，收集多种光学图像，包括彩色相机扫描、高光谱成像和X射线计算机断层扫描图像。我们开发了高通量的分析流程来提取基于图像的性状（i-traits）。在这些i-traits中，10080个是玉米外部和内部干旱反应的有效和可遗传指标。基于i-trait的全基因组关联研究揭示了4322个显著的基因座-性状关联，代表了1529个数量性状基因座（QTLs）和2318个候选基因，其中许多基因与先前报道的玉米干旱反应QTLs共同定位。表达型QTL（eQTL）分析发现了许多调控候选基因表达的局部和远端调控变异。我们利用基因突变分析验证了两个新的基因ZmcPGM2和ZmFAB1A调节i-traits和抗旱性。此外，通过基因组选择分析揭示了候选基因作为耐旱性遗传标记的潜在价值，并确定了15个i-traits作为玉米耐旱性育种的潜在标记。本研究表明，将高通量多重光学表型和全基因组关联研究(GWAS)结合起来，是剖析复杂性状遗传结构和克隆抗旱相关基因的一种新颖而有效的方法。

来源：Genome Biology