中国农大/福建农林合作发布水稻抗旱性育种基因组导航图

以下文章来源于作物科学联盟 ，作者王玉龙

2023 年 11 月 2 日，中国农业大学 李自超 教授、福建农林大学海峡联合研究院 明瑞光(Ray Ming) 教授、河南农业大学 李俊周 团队在 Plant Biotechnology Journal 杂志上在线发表了题为 "Upland rice genomic signatures of adaptation to drought resistance and navigation to molecular design breeding" 的研究论文。

旱稻和水稻是在不同水分环境下驯化的两种栽培稻生态型，二者在旱生适应性和抗旱性上存在很大差异。旱稻主要种植于干旱、半干旱的通透性土壤中，具有很强的抗旱性。多年来，李自超教授团队基于优异旱稻种质资源，利用连锁分析、GWAS 及表达谱分析等多种技术手段克隆了多个具有重要育种价值的抗旱基因 (qRT9、OsLG3、DROT1、RRS1等)。进一步通过水稻和旱稻基因组等比较研究，发掘旱稻抗旱基因，解析水、旱稻基因组的遗传分化，不仅对水、旱稻的遗传改良具有理论和实践意义，而且对植物抗旱性研究也具有一定的指导作用。

图 1 种质资源抗旱性鉴定及典型水、旱稻的筛选

研究团队挑选了 541 份种质 (包括 180 份旱稻) 进行了连续两年的抗旱性鉴定 (图1) 。基于材料的抗旱等级，筛选出了 25 份典型旱稻和 31 份典型水稻种质，为研究水、旱稻旱生适应性分化和水稻抗旱性育种提供了优异的种质资源。由于目前缺乏典型旱稻基因组，研究者结合三代 Pacbio 测序，二代 Illumina 测序及 Hi-C 技术组装了一个典型旱稻高质量基因组，作为栽培稻基因组资源的有效补充。通过比较基因组学分析，发现启动子和 UTR 序列的不同造成的基因表达差异和基因家族的扩张可能是水稻和旱稻旱生适应性分化的主要原因之一 (图2) 。

图 2 水、旱稻的比较基因组学分析

为探究水、旱稻在基因表达上的差异，研究者利用两份典型旱稻和两份典型水稻的叶和根组织构建了正常，轻度、中度和重度干旱胁迫下的基因表达谱 (图3) 。通过 K-means 聚类在叶和根组织鉴定出了具有水、旱生态型特征的基因表达模式及旱稻特异性基因表达模式，同时还发现苯丙烷途径介导木质素合成通路可能在水、旱适应性分化过程中发挥着重要作用。

图 3 水、旱稻叶组织旱胁迫下的基因表达模式

研究团队根据基因组、转录组和群体遗传学的证据鉴定出 6 种不同类型的抗旱相关基因，构建了水稻抗旱育种的基因组导航图 (图4) 。在多个类别中被鉴定到的基因更值得在育种中关注和利用。在 6 个类别中被同时鉴定到的有 80 个关键基因，抗旱性验证结果表明，这 80 个关键基因能显著提高水稻的抗旱性，具有很好的育种应用潜力。

图 4 水稻抗旱育种基因组导航图

结论与讨论

该研究报道了一个典型旱稻的高质量基因组；揭示了水、旱稻旱生适应性的基因组分化及旱胁迫下具有生态型特征差异的基因表达模式，为植物抗旱基因的克隆及其抗旱遗传机制解析提供了重要基因组信息。鉴定的典型水、旱稻材料及提出的水稻抗旱育种基因组导航图可以为杂交亲本选配、分子标记辅助选择、分子设计育种和基因组选择育种提供明确的靶标，为培育抗旱性水稻品种或旱稻品种提供了宝贵的遗传资源。

中国农业大学 李自超 教授、福建农林大学海峡联合研究院 明瑞光 (Ray Ming) 教授、河南农业大学 李俊周 教授为论文的通讯作者。中国农业大学在读博士研究生 王玉龙，已毕业博士研究生 蒋聪慧 (山东省农科院) 、中国农科院基因组所 张兴坦 研究员、河南农业大学 严慧敏 博士及中国农业大学已毕业博士研究生 阴志刚 博士为论文共同第一作者。团队 张洪亮 教授、李金杰 副教授、张战营 副教授、孙兴明 副教授，国际水稻所 叶国友 研究员、海南省农科院 王效宁 研究员、山东省农科院 谢先芝 研究员及贵州大学 赵全志 教授对该工作进行了指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金、三亚崖州湾科技城项目、海南崖州湾种子实验室项目的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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