基于BSA与生物信息学的小麦耐热SCAR标记开发及功能解析

《Biotechnology for the Environment》：Development and identification of SCAR marker for heat tolerant in wheat via Bulk Segregant Analysis and Bioinformatics approaches

本文推荐研究人员针对小麦高温胁迫导致的减产问题，通过集团分离分析(BSA)结合生物信息学方法，开发出与耐热性相关的特异性序列扩增区域(SCAR)标记WHT-1。该标记在耐热品种Halna中特异性扩增700 bp条带，经验证可准确区分10个耐/感热小麦品种。通过对标记序列的理化性质、二级/三级结构预测及分子对接分析，揭示其可能通过HD结构域/PDEase-like蛋白参与热应激响应通路。该标记为小麦耐热育种提供了高效分子工具，相关序列特征分析为阐释耐热机制提供了新视角。

　　

随着全球气候变暖趋势加剧，高温胁迫已成为制约小麦生产的关键因素。研究表明气温每升高1°C可能导致小麦减产5%-10%，在灌浆期遭遇30°C以上高温会显著缩短籽粒灌浆时间，抑制光合作用和胚乳淀粉合成。面对未来20年预计上升1.5°C的全球气温，开发耐热小麦品种迫在眉睫。传统田间表型筛选效率低下，因此寻找与耐热性连锁的DNA标记，对加速育种进程具有重要意义。

本研究通过集团分离分析(BSA)结合生物信息学方法，成功开发出小麦耐热相关SCAR标记。研究人员选择经表型鉴定的耐热品种Halna和感热品种K9006作为亲本构建F₂群体，基于膜稳定性指数(MSI)和叶绿素含量测定筛选极端个体构建耐/感病基因池。利用RAPD引物筛选发现OPE-09在耐热池中特异性扩增700 bp条带，经克隆测序后设计出SCAR标记WHT-1。该标记在6个耐热和4个感热品种验证中显示100%准确率。进一步生物信息学分析表明，标记对应序列可能编码HD结构域/PDEase-like蛋白，其三级结构与R-藻红蛋白相似，分子对接显示与脱落酸、脯氨酸具有较高结合活性，提示可能参与热应激信号通路。

关键技术方法包括：1) 通过田间迟播60天模拟热胁迫进行表型鉴定；2) 采用BSA法构建极端性状基因池；3) RAPD-PCR扩增及SCAR标记开发；4) 克隆序列的理化性质、二级/三级结构预测；5) 分子对接分析蛋白-配体相互作用。

膜稳定性指数和叶绿素含量分析

耐热品种Halna的MSI(59.61%)和叶绿素含量(2.26 mg/g)显著高于感热品种K9006(43.77%, 1.83 mg/g)。在热胁迫下，Halna的产量降幅(22.63%)明显小于K9006(49.16%)，表明MSI和叶绿素含量可作为耐热性可靠指标。

RAPD标记多态性研究与F₁验证

32个RAPD引物中有6个显示多态性，其中OPE-09在F₁代同时呈现双亲条带，成功验证杂交真实性。该引物在耐热池中特异性扩增700 bp条带，与耐热表型完全共分离。

SCAR标记开发与验证

基于克隆序列设计的引物对(5'-ATCTACTTCGTGACTTACTG-3'/5'-CCTAAATATCGGTTATACCGG-3')在耐热品种中稳定扩增700 bp片段，感热品种无扩增产物。标记序列在NCBI注册为MG816462.1，与小麦大穗基因AF512607相似度达85%。

序列生物信息学分析

翻译产物分析显示3'5'(Frame 1)编码76个氨基酸的稳定蛋白(不稳定指数39.92)，含有57.89%α-螺旋。三级结构预测与R-藻红蛋白相似度21.43%，活性位点预测发现3个潜在结合口袋，分子对接表明与脱落酸结合能为-77.16 kcal/mol。

本研究开发的SCAR标记可实现小麦耐热性的早期快速鉴定，突破传统表型筛选局限。序列分析提示标记可能关联热激蛋白调控通路，为阐明耐热分子机制提供新线索。该研究整合分子标记与生物信息学技术，为小麦抗逆育种提供了双效解决方案，对保障粮食安全具有重要实践意义。