Metabolomics‐driven gene mining and genetic improvement of tolerance to salt‐induced osmotic stress in maize

代谢组学 渗透性休克 生物 基因 战斗或逃跑反应 遗传学 生物技术 生物信息学
作者
Xiaoyan Liang,Songyu Liu,Tao Wang,Fenrong Li,Jinkui Cheng,Jinsheng Lai,Feng Qin,Zhen Li,Xiangfeng Wang,Caifu Jiang
出处
期刊:New Phytologist [Wiley]
卷期号:230 (6): 2355-2370 被引量:97
标识
DOI:10.1111/nph.17323
摘要

The farmland of the world's main corn-producing area is increasingly affected by salt stress. Therefore, the breeding of salt-tolerant cultivars is necessary for the long-term sustainability of global corn production. Previous studies have shown that natural maize varieties display a large diversity of salt tolerance, yet the genetic variants underlying such diversity remain poorly discovered and applied, especially those mediating the tolerance to salt-induced osmotic stress (SIOS). Here we report a metabolomics-driven understanding and genetic improvement of maize SIOS tolerance. Using a LC-MS-based untargeted metabolomics approach, we profiled the metabolomes of 266 maize inbred lines under control and salt conditions, and then identified 37 metabolite biomarkers of SIOS tolerance (METO1-37). Follow-up metabolic GWAS (mGWAS) and genotype-to-phenotype modeling identified 10 candidate genes significantly associating with the SIOS tolerance and METO abundances. Furthermore, we validated that a citrate synthase, a glucosyltransferase and a cytochrome P450 underlie the genotype-METO-SIOS tolerance associations, and showed that their favorable alleles additively improve the SIOS tolerance of elite maize inbred lines. Our study provides a novel insight into the natural variation of maize SIOS tolerance, which boosts the genetic improvement of maize salt tolerance, and demonstrates a metabolomics-based approach for mining crop genes associated with this complex agronomic trait.
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