在全球范围内，干旱等自然灾害严重威胁玉米生产，严重时会造成大幅减产甚至绝收。因此，克隆玉米抗旱基因、改良玉米抗旱性是农业生产的迫切需求。

中国科学院植物研究所秦峰研究组利用全球不同地区的玉米自交系组成的自然变异群体，通过全基因组关联分析发现，83个遗传变异位点（解析至42个候选基因）与玉米苗期抗旱性显著相关。其中，最显著的位点位于第9号染色体上的ZmVpp1基因中，该基因编码一个定位于液泡膜上的质子泵-焦磷酸水解酶。研究人员通过对大量玉米自交系ZmVpp1序列的精细分析发现，在抗旱性强的材料中，ZmVpp1的启动子中含有一个长度为366-bp的DNA片段插入（InDel-379），该片段中含有3个干旱应答的MYB顺式作用元件，因而提高了ZmVpp1在干旱胁迫下的表达量。通过杂交和连续回交的方法，研究人员将抗旱材料的ZmVpp1基因导入干旱敏感的材料中，有效提高了玉米苗期的抗旱性。研究还发现，提高ZmVpp1的表达量可以促进根系发育、增加侧根数目、提高叶片的光合速率和水分利用效率，从而增强玉米的抗旱能力。在田间干旱缺水条件下，ZmVpp1过表达植株的产量显著高于对照植株，其产量受干旱影响较小。

该研究对玉米抗旱性的遗传改良具有重要意义，为玉米抗旱新品种的培育提供了重要的基因资源和选择靶点。

该研究成果于8月15日在线发表于《自然-遗传学》（Nature Genetics）期刊。秦峰研究组博士生王向兰和王宏伟为论文的共同第一作者，秦峰和中国农业大学国家玉米改良中心教授杨小红为共同通讯作者。研究得到了国家科技部、中科院A类战略先导专项和国家自然科学基金的资助。

ZmVpp1抗旱等位基因型能有效增强玉米苗期的抗旱性。a. 携带ZmVpp1不同等位型（抗旱等位基因型：ZmVpp1CIMBL70/91和干旱敏感等位基因型：ZmVpp1Shen5003）的近等基因系在正常浇水条件下的生长情况。b. 近等基因系干旱复水后的抗旱性表型。c. 分子标记（InDel-379）检测ZmVpp1的不同等位基因型DNA凝胶电泳图。d. 近等基因系干旱复水后植株存活率统计分析。e. ZmVpp1不同等位基因型在抗旱材料和干旱敏感材料中的表达量分析。f, g. ZmVpp1不同等位基因型在近等基因系中的表达量分析。

原文摘要：

Genetic variation in ZmVpp1 contributes to drought tolerance in maize seedlings

Maize production is threatened by drought stress worldwide. Identification of the genetic components underlying drought tolerance in maize is of great importance. Here we report a genome-wide association study (GWAS) of maize drought tolerance at the seedling stage that identified 83 genetic variants, which were resolved to 42 candidate genes. The peak GWAS signal showed that the natural variation in ZmVpp1, encoding a vacuolar-type H+ pyrophosphatase, contributes most significantly to the trait. Further analysis showed that a 366-bp insertion in the promoter, containing three MYB cis elements, confers drought-inducible expression of ZmVpp1 in drought-tolerant genotypes. Transgenic maize with enhanced ZmVpp1 expression exhibits improved drought tolerance that is most likely due to enhanced photosynthetic efficiency and root development. Taken together, this information provides important genetic insights into the natural variation of maize drought tolerance. The identified loci or genes can serve as direct targets for both genetic engineering and selection for maize trait improvement.