上海交通大学张大兵/石建新和中国农业科学院王文生合作通过全基因组关联分析和上位性分析揭示亚洲栽培稻株高多层面的遗传结构

以下文章来源于植物与环境 PCE ，作者植物与环境 PCE

株高是水稻（Oryza sativa）适应环境和稳产高产的一个重要性状，主要取决于生长发育阶段的节间伸长。在营养生长早期，水稻节间伸长受到抑制；在营养期向生殖期过渡后，节间伸长抑制被解除，水稻株高迅速增加。此外，环境因素（如光、温、干旱、洪涝等）以及植物激素（如赤霉素GA和油菜素内酯BR）也显著影响水稻节间伸长。对于水稻育种而言，半矮化的株高与群体采光效率、植株抗倒伏能力和机械化收割难易等重要农艺性状密切相关。

Semi-Dwarf1（SD1）突变型的发现和利用引发了水稻绿色革命，提高了水稻的产量，但到目前为止，像sd1能够应用于生产的半矮化突变型很少，且过度使用sd1会造成育种品种遗传多样性降低。其次，株高是一个典型的数量性状，其遗传结构不仅包含了众多QTL/基因位点的加性/显性效应，还包括大量QTL/基因间上位性的互作效应，致使导入同一目标改良基因的不同遗传背景材料的遗传效应也不尽相同。因此，只有全面理解水稻株高的遗传结构才能选择最优的等位基因组合进行水稻矮化育种的分子改良。

近日，上海交通大学张大兵教授/石建新研究员及其合作者中国农业科学院王文生研究员在Plant, Cell & Environment上发表了题为“Combined genome-wide association study and epistasis analysis reveal multifaceted genetic architectures of plant height in Asian cultivated rice”的研究论文，通过全基因组关联分析（GWAS）结合不同数量性状位点（QTL）间的上位性分析，系统揭示了亚洲栽培稻株高遗传结构的多样性。

该研究采集了619份来自3K水稻基因组的亚洲栽培稻测序品种连续两年的大田成熟期水稻株高数据，结合GWAS分析，在619个品种群体中鉴定到12个株高QTL，筛选到一些与赤霉素，油菜素内酯，独角金内酯等激素途径相关的候选基因。其中SD1基因的结构变异和qPh1.3位点最显著的单核苷酸多态性（SNP）高度连锁。研究人员根据SD1位点的不同单倍型类型将619份品种分成3个不同SD1单倍型亚组（SD1NIP,SD1Kas和SD1IR8），在亚组内鉴定到大量全群体中未能鉴定到的株高QTL，包含了已克隆的qphSN3.4/HD16 和 qphSN5.1/SBI。此外，各亚组间株高遗传结构也明显不同，这可能与不同亚组的品种经历了不同环境适应性事件相关。因此，由于遗传异质性的存在，采用样本数量较大和遗传构成复杂的自然群体进行GWAS分析会导致GWAS功效降低，这一结果和拟南芥中自然群体的开花时间分析结果类似。

接下来，研究人员在SD1NIP亚组中鉴定到两组QTL上位性互作，其中一组的核心QTL/基因qphSN1.4/GAMYB与qphSN3.1/OsINO80, qphSN3.4/HD16/EL1, qphSN6.2/LOC_Os06g11130和qphSN10.2/MADS56存在遗传互作。qphSN1.4/GAMYB，qphSN3.1/OsINO80,和qphSN3.4/HD16/EL1均为赤霉素信号或代谢途径中关键调控基因。进一步通过遗传和生化试验证明了互作网络中另一QTL qphSN10.2/MADS56和MADS57互作，共同调控下游赤霉素代谢通路基因ElongatedUppermost Internode1（EUI1）和GA2OX3的表达，最终调控水稻株高。有趣的是，该组上位性互作网络中株高QTL/基因均为多效QTL，并参与开花时间的调控，暗示以粳稻为主的SD1NIP亚组中株高变异部分归功于粳稻向北扩张时的抽穗期适应事件，并因基因多效性而相互关联。

总之，该研究通过全基因组关联分析和上位性分析揭示了亚洲栽培稻株高多层面的遗传结构，为半矮杆水稻新品种选育提供了重要的理论基础和遗传资源。

Circos plot showing the genome-wide distribution of the six most significant pairwise interactions detected in epistasis analysis.

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pce.14557

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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