BADH2基因特异性序列变异与系统发育分析揭示香稻进化与育种新靶点

《The Nucleus》：BADH2 gene-specific sequence variation and phylogenetic relationship in aromatic rice (Oryza sativa L.)

本研究针对香稻育种中高产与香味难以协同改良的瓶颈，聚焦BADH2基因开展分子鉴定。研究人员通过功能标记FMbadh2-E7鉴定出8bp缺失（GATTATGG）和新型12bp缺失等关键变异，发现单倍型多样性（0.63749）显著高于核苷酸多样性（0.005296），揭示香稻群体经历选择性清除。系统发育分析表明BADH2基因从双子叶植物进化至单子叶植物，香稻等位基因最早出现于温带粳稻。该研究为香稻分子育种提供了精准标记和进化理论基础。

　　

在全球高端稻米市场，香米始终占据着特殊地位。印度作为全球最大的香米出口国，其特有的巴斯马蒂（Basmati）香米凭借修长的米粒、独特的香气和柔软的口感，在国际市场上享有30%-50%的价格溢价。然而，香稻育种长期面临一个核心矛盾：控制香味的关键基因BADH2发生功能缺失突变后，虽然能产生特征性香气成分2-乙酰基-1-吡咯啉（2AP），但往往伴随抗逆性下降等不良性状，导致高产与香味难以兼得。

香气形成的分子机制复杂，已有研究鉴定出114种挥发性化合物参与香气形成，其中2AP被确认为主要香气成分。在泰国香米品种中，2AP含量高达1.0-2.5 mg/kg，是非香稻品种的10倍以上。控制这一性状的BADH2基因（Os08g0424500）位于第8号染色体，编码甜菜碱醛脱氢酶，其功能缺失会导致底物γ-氨基丁醛（GAB-ald）积累并转化为2AP。尽管染色体1、3、4、12上也存在次要香气位点，但BADH2仍是主导基因，贡献约20%的表型变异。

为深入解析BADH2基因的变异规律，研究人员在《The Nucleus》发表的研究中，选取普萨巴斯马蒂1号（Pusa Basmati-1）和巴德沙博格（Badshabhog）两个香稻品种，以及非香稻地方品种杜德坎达尔（Dudh Kandar）为材料。通过功能标记FMbadh2-E7进行PCR扩增，发现香稻品种均出现260 bp特征条带，而非香稻品种为268 bp条带，证实了香稻中存在的8 bp缺失。测序结果显示，BADH2基因序列平均AT含量达65.6%，GC含量为34.4%，表现出明显的AT偏好性。

关键技术方法包括：采用CTAB法从幼苗叶片提取基因组DNA；通过梯度PCR确定FMbadh2-E7引物的最佳退火温度（60°C）；对98个水稻种质的BADH2基因序列进行多序列比对；利用MEGA11软件进行系统发育分析和核苷酸多样性计算；通过DnaSP v6进行单倍型网络构建和Tajima's D中性检验。

序列变异分析

多序列比对揭示，香稻品种在BADH2基因第7外显子区存在典型的8 bp缺失（GATTATGG），而杜德坎达尔等非香稻品种该区域完整。此外，还发现了一个12 bp的新型缺失[AGATTATGG(C/T)TT]。在8 bp缺失前后存在的A/T和C/T单核苷酸多态性（SNP）成为区分香稻与非香稻的关键分子标记。这些变异为香稻品种鉴定提供了精准的分子依据。

核苷酸多样性

对98个水稻种质的分析显示，BADH2基因的成对距离变异范围为0.000-0.096，平均核苷酸多样性（π）为0.005296。香稻品种巴德沙博格与非香稻杜德坎达尔之间的 divergence 值最高（0.096），表明香稻与非香稻品种在进化过程中产生了显著的核苷酸差异。Tajima's D检验值为-2.200560，显著低于-2.0，提示该基因可能经历了选择性清除或正选择。

单倍型分析

基于BADH2基因序列共鉴定出7个单倍型类群。H_1（杜德坎达尔）、H_4和H_5限于非香稻品种，而携带8 bp缺失的H_2（普萨巴斯马蒂1号）、H_3（巴德沙博格）、H_6以及具有12 bp缺失的H_7属于香稻组。单倍型多样性（0.63749）显著高于核苷酸多样性，表明群体中出现了高度分化的单倍型。携带8 bp缺失的单倍型组显示出最高的单倍型多样性（0.21569）。

系统发育关系

BADH2基因的系统发育分析形成了8个主要分支。进化轨迹显示，该基因最初在双子叶植物中出现，随后进入单子叶植物，特别是在野生稻O. brachyantha和粳稻组（O. sativa japonica）中进一步分化。基于序列同源性的聚类分析将测试品种分为四个明显类群：第I和II组包含籼稻品种，如巴德沙博格、巴斯马蒂370和普萨巴斯马蒂1号，均携带典型的截短型（8 bp缺失）等位基因；第III组包含具有12 bp缺失的籼稻、温带粳稻和热带粳稻品种；而所有非香稻品种及其野生近缘种，包括杜德坎达尔，均被划分到遥远的第IV组。

研究结论表明，BADH2基因的特异性序列变异可作为香稻品种鉴定的可靠分子标记。功能标记FMbadh2-E7经验证可用于标记辅助选择（MAS）育种，有效加速香稻品种选育进程。单倍型网络与系统发育分析共同支持香稻等位基因最早起源于温带粳稻，随后通过基因渗入进入热带籼稻基因库的进化路径。值得注意的是，高单倍型多样性与低核苷酸多样性的组合模式，反映了香稻群体在驯化过程中经历的选择性清除事件。

该研究的重要意义在于，不仅扩展了对BADH2基因等位变异的认知，发现的新型SNP和12 bp缺失为香稻分子育种提供了新的靶点。通过精准的分子标记辅助选择，育种家可快速将香气性状导入优良品种，克服传统育种中香气表型鉴定难、选择效率低的问题。研究揭示的进化规律为理解香稻驯化历史提供了分子证据，对保护香稻遗传资源和指导未来育种策略具有重要价值。