IF 27.5|GWAS+图位克隆法，揭秘水稻调控籽粒性状的关键基因

news2024/12/29 10:22:38

水稻是全球种植最广泛的作物

拥有超过12万个品种

提高粮食品质是当代水稻育种的首要目标

在现代水稻育种中，不同类型的水稻已经被培育出来，比如食用稻和酿酒稻。这些不同类型的水稻具备不同的籽粒特性，其中包括育种过程中选择的不同等位基因。随着人们生活水平的提高以及大米贸易的全球化，对优质大米的需求不断增长，因此提高谷物品质成为当代水稻育种的最重要目标。为了未来的分子育种工作，有效地识别之前育种过程中的选择基因非常关键。

2023年9月4日，发表在Molecular Plant（IF=27.5）上的文章“Integrated genome-wide differentiation and association analyses identify causal genes underlying breeding-selected grain quality traits in japonica rice”，对202份水稻品种材料群体进行了遗传分析和全基因组关联分析，成功鉴定到了2个新的调控籽粒性状的基因。

主要结果概述

本研究基于公共数据库收集了202个日本水稻品种（如地方稻、食用稻和清酒稻），进行了群体遗传分析和全基因组关联分析。研究结果显示了食用稻和清酒稻之间存在几个不同的基因组区域。在这些候选区域中，研究人员发现了两个基因，分别是编码调节酿造清酒的大米特征之一的WCF和籽粒质量的甘露聚糖合成酶的OsMnS和编码调节籽粒大小的OsWOX9D。其中，OsMnS基因编码一种甘露聚糖合酶，该酶能够增加胚乳中白核的频率。尽管这对于清酒酿造来说是理想的特性，但会降低谷物的外观质量。

为了进一步研究基因与清酒稻品种差异之间的关联分析，通过GWAS和图位克隆法map-based cloning方法，研究人员发现OsWOX9D基因编码一种禾本科特异性转录因子，它能增加籽粒宽度，对于酿造清酒非常有益。OsMnS和OsWOX9D的主要单倍型包括功能型和功能丢失型，这对水稻米饭的烹饪质量和清酒酿造质量产生明显影响。单倍型分析表明，在水稻的现代改良过程中，这些缺陷等位基因在东亚得到选择，而非在欧洲。此外，研究指出，在非洲水稻的驯化过程中，OsMnS等位基因的缺陷可能导致谷物甘露聚糖含量降低，因此认为OsMnS的功能型Hap.B等位基因是改善水稻籽粒质量的关键因素之一。

图1 食用稻和清酒稻的不同基因组区域。A.本研究水稻品种被分为地方品种、食用稻和清酒稻；B.二元GWAS曼哈顿图；C.全基因组遗传距离分析和（D）Fst分析；E.三种分析条件下共同的顶部峰值列表。

图2 OsMnS调节WCF和甘露聚糖的含量。A. LWCF的GWAS分析；B.基于图1B和C结果中4号峰做局部曼哈顿图和LD热图；D. OsMnS的外显子-内含子结构和DNA多态性; E.二元GWAS群体中三类OsMnS的单倍型频率;F.携带Hap. A或Hap. B的地方品种和清酒稻甘露聚糖水平比较；G-J. NPB (G)、YDN (H)、MnS 1 (I)和MnS 3 (J)中米粒中抗甘露聚糖结合蛋白的原位染色; K. 携带Hap. A或Hap. B的地方品种和清酒稻平均WCF值比较; L. NPB对照（n = 4）与功能性OsMnS Hap. genome转化的NPB中甘露聚糖水平和OsMnS基因拷贝数的比较；M-N. NPB与转换后的NPB之间的LWCF频率的比较。

图3 OsWOX9D不同单倍型在O. sativa和O. rufipogon亚群中的分布。（A和B）OsWOX9D的单倍型网络和单倍型丰度；OsWOX9D在中国品种中的(C)单倍型频率；(D)在3K个粳稻品种和不同的粳稻亚群体中，OsWOX9D的单倍型丰度的区域差异。

参考文献

Integrated genome-wide differentiation and association analyses identify causal genes underlying breeding-selected grain quality traits in japonica rice. Molecular Plant, 2023.