结合QTL定位与RNA测序揭示谷子旗叶宽度调控候选基因及其分子机制

本研究针对高密度种植下谷子旗叶宽度(FLW)遗传机制不明的问题，通过构建重组自交系群体，结合高密度遗传图谱和RNA测序技术，定位到11个控制FLW的QTL，其中主效QTL qFLW5-2在3个环境中稳定表达。研究发现Seita.5G134600（编码生长素响应蛋白Aux/IAA）和Seita.5G123900（编码细胞色素P450家族蛋白）为关键候选基因，并开发出与旗叶宽度紧密连锁的分子标记Seita.5G134600SUTR277，为谷子株型改良和分子育种提供理论支撑。

　　

在全球人口持续增长和耕地面积减少的双重挑战下，提高作物单产成为育种家的首要目标。增加种植密度是提高单位面积产量的有效途径，但高密度种植会导致叶片生长受抑、光合效率降低及抗倒伏性下降。旗叶作为作物后期生长阶段的主要光合器官，其形态特征特别是旗叶宽度（Flag Leaf Width, FLW）直接影响光能捕获效率和籽粒灌浆物质供应。尽管前期研究表明旗叶尺寸与千粒重和单株产量呈正相关，但关于谷子旗叶宽度遗传机制的研究仍较缺乏，尤其在可变种植密度条件下的调控机理尚不明确。

Wang等人在《BMC Plant Biology》发表的研究，通过整合高密度遗传图谱构建、多环境表型分析和转录组测序技术，系统解析了谷子旗叶宽度的遗传基础，并鉴定出关键调控基因。研究人员采用黑谷谷（窄叶）和长农35（宽叶）构建的重组自交系（Recombinant Inbred Line, RIL）群体，在6种种植密度环境下进行表型分析，结合包含3795个Bin标记的高密度遗传图谱进行数量性状位点（Quantitative Trait Locus, QTL）定位，并利用RNA测序（RNA-Seq）技术筛选差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs），最终通过分子标记验证和自然群体分析确认候选基因的功能。

研究采用的主要技术方法包括：基于MGI-2000/MGI-T7平台的全基因组重测序（测序深度12.62×-39.28×）构建高密度遗传图谱；WinQTLCart 2.5软件进行复合区间映射（Composite Interval Mapping, CIM）检测QTL；Illumina HiSeq 2500平台进行旗叶转录组测序（取样时期为抽穗期和灌浆期）；qRT-PCR验证基因表达；基于Setaria italica参考基因组（JGI_v2.2）的序列变异分析；以及自然群体（680份种质）的基因型-表型关联验证。

QTL定位分析揭示旗叶宽度主效位点

通过6个环境的表型数据分析，共检测到11个控制FLW的QTL，分布在3号、5号和6号染色体上，其中qFLW5-2在3个环境中稳定表达，表型变异解释率（Phenotypic Variation Explained, PVE）最高达36.06%，被确定为主效QTL。该位点与先前报道的qflw5-1区间部分重叠，进一步通过9个InDel标记验证其可靠性。

转录组分析筛选候选基因

抽穗期和灌浆期转录组比较发现，双亲间分别存在2293和2338个DEGs。KEGG富集分析显示，这些基因显著参与淀粉蔗糖代谢、油菜素内酯合成和植物激素信号转导通路。在qFLW5-2定位区间内，筛选到11个（抽穗期）和9个（灌浆期）DEGs，其中Seita.5G123900（编码细胞色素P450家族蛋白）和Seita.5G134600（编码生长素响应蛋白Aux/IAA）与植物激素信号通路相关，被列为关键候选基因。

候选基因功能验证与标记开发

序列分析发现，Seita.5G134600在窄叶亲本黑谷谷中存在5'非翻译区（5'UTR）277 bp缺失，而Seita.5G123900无序列变异。基于该缺失开发的分子标记Seita.5G134600^SUTR277在RIL群体和自然群体中均验证其与宽叶表型显著相关：携带Seita.5G134600^SUTR277+等位基因的株系旗叶宽度（3.30±0.38 cm）显著大于Seita.5G134600^SUTR277-型（2.00±0.15 cm）。qRT-PCR分析进一步证实，该基因在宽叶材料中表达量显著上调。

研究结论强调，qFLW5-2为控制谷子旗叶宽度的主效QTL，其候选基因Seita.5G134600通过生长素信号通路调控叶片发育。5'UTR序列变异可能通过影响翻译效率导致表型差异。该研究首次将QTL定位与多组学分析结合解析谷子旗叶形态建成的分子机制，开发的分子标记Seita.5G134600^SUTR277为高密度种植下株型改良提供了有效的育种工具，对提升谷子产量潜力具有重要实践意义。