2024-01-24
近期，华中农业大学植物科学技术学院在植物科学领域《Frontiers in Plant Science》发表新研究成果！本研究结合GWAS分析和转录组分析，挖掘出可能参与调控水稻叶绿素含量和叶绿素荧光的候选基因。本研究为水稻叶绿素含量与荧光参数的相关性及其遗传机制提供了新的见解，并为培育具有高光合效率的水稻提供了宝贵的信息。
本研究的GWAS测序分析、转录组测序分析均由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
PART·1、研究背景 光合作用是影响水稻生物量积累和收获指数的最关键过程，也是决定水稻产量的关键因素。光合能量的合理分配可以提高作物光能利用效率，目前已经鉴定出了一些与叶绿素含量、荧光参数和光合作用相关的功能基因，但是遂于这些性状的遗传基础和关系还缺乏全面有效的分析。本研究对水稻的叶绿素含量(SPAD)和8个荧光参数进行GWAS分析，鉴定了78个与叶绿素荧光特性相关的SNP。并结合转录组分析，鉴定出两个与水稻叶绿素荧光特性相关的候选基因（Os03g0583000和Os06g0587200）。为水稻叶绿素荧光特性和光合作用的表型筛选、基因功能验证、遗传机制解剖等方面的研究奠定了基础。
PART·2、研究材料与方法 实验材料：225份水稻 测序平台：Illumina 分析内容：GWAS分析、候选基因表达分析、差异基因表达与功能富集分析等
PART·3、研究结果 1.群体遗传结构 PCA分析将群体分为4个类群，与系统发育树和Admixture分析的结果一致。图1C显示了整个基因组的平均连锁不平衡( LD )衰减。群体遗传结构分析表明，这些材料可分为4个类群，彼此之间存在一定的遗传差异。 图1 225份水稻材料的种群结构 2.叶绿素荧光特性的表型分析 对225份水稻材料的叶绿素含量(SPAD)和8个荧光参数(NPQt、ΦII、ΦNO、ΦNPQ、LEF、Fv/Fm、qL和qP)进行测量及统计分析。箱形图显示了PCA划分的4个类群间荧光参数的差异，其中NPQt (P = 0.025)、ΦNPQ (P = 0.035)、SPAD (P = 6.7×10-9)和Fv/Fm (P = 0.027)在不同PCA类群间表现出显著差异，表明不同种群间SPAD、NPQt、ΦNPQ和Fv/Fm的表型差异受遗传背景的影响。通过计算皮尔逊相关系数分析不同荧光特性之间的关系，结果表明SPAD、NPQt和LEF受遗传因素的影响较大。 图2 225份水稻材料中叶绿素荧光特性的表型差异 图3 225份水稻材料的叶绿素荧光特性的表型分析 3.GWAS分析 对225份水稻材料的叶绿素荧光特性进行GWAS分析，鉴定出31个显著关联区间。这些区间包括78个与SPAD、NPQt、ΦII、ΦNPQ、qL和qP相关的SNP。此外，在ΦII和ΦNPQ之间以及qL和qP之间存在明显的共定位。通过对LD区域基因的功能分析，共鉴定出17个与叶绿素荧光特性相关的候选基因。 图4 叶绿素荧光特性GWAS的曼哈顿图和QQ图 4.叶绿素荧光特性差异显著的两个水稻品种的转录组分析 为进一步探究水稻叶绿素荧光特性的遗传基础，从群体中挑选ΦII和SPAD差异显著的2个水稻品种D062(高ΦII型, H)和D133(低ΦII型, L)进行转录组分析。2个品种(H和L)之间鉴定到2366个差异表达基因，包括1434个上调基因和932个下调基因。聚类分析结果表明，H型和L型在组内均具有较好的相关性，表明不同组的DEGs可能与某些生物过程、代谢和信号通路存在特定的联系。 对2366个DEGs进行GO富集分析，并根据分子功能(MF)、生物过程(BP)和细胞组分(CC)对DEGs进行分类。富集到MF前5个GO条目中的DEGs很可能参与了一系列激酶活性、核苷酸结合和磷酸化所必需的生化反应。富集到BP前5个GO条目中的DEGs可能在细胞信号传导、对环境刺激的反应和代谢过程中具有重要功能。富集到CC前5个GO条目中的DEGs可能参与多种细胞膜相关功能。对DEGs的进一步研究表明，它们可能参与调控水稻的光合性能，包括NPQt、ΦII和SPAD。 图5 不同品种中差异表达基因（DEGs）的转录组分析 图6 差异表达基因（DEGs）的聚类分析(H vs. L) 5.与叶绿素荧光特性相关的候选基因挖掘 结合GWAS分析和转录组分析，发现候选基因Os03g0583000和Os06g0587200在两个水稻品种中的表达水平表现出显著差异。Blast2GO注释发现Os03g0583000为过氧化物酶体蛋白，Os06g0587200为含有催化结构域的蛋白激酶。 Os03g0583000启动子上的6个SNP形成了两种单倍型。单倍型1的自交系的ΦII和qP值显著低于单倍型2的自交系，而SPAD值显著高于单倍型2的自交系。转录组分析表明Os03g0583000最有可能是ΦII和qP的候选基因，Os06g0587200最有可能是NPQt的候选基因。 表1 整合GWAS和转录组数据发现候选基因 图7 03号和06号染色体上与ΦII、qP和NPQt相关的候选基因 0
PART·4、结 论 本研究结合GWAS分析和转录组分析，发现2个候选基因(与ΦII和qP性状相关的Os03g0583000，与NPQt性状相关的Os06g0587200)分别与过氧化物酶体和蛋白激酶催化结构域相关，参与调控叶绿素含量和荧光。本研究为水稻叶绿素含量与荧光参数的相关性及其遗传机制提供了新的见解，并为提高光合效率的水稻育种提供了有价值的信息。
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文章索引：Liu S, Xiong Z, Zhang Z, et al. Exploration of chlorophyll fluorescence characteristics gene regulatory in rice (Oryza sativa L.): a genome-wide association study. Front Plant Sci. 2023: 14: 1234866.
