高粱根系构型早期发育阶段的多位点全基因组关联分析揭示抗旱遗传机制

本研究针对高粱(Sorghum bicolor)在雨养条件下易受干旱胁迫影响的问题，通过多位点全基因组关联分析(ML-GWAS)对200份种质资源的根系构型(RSA)进行遗传解析。研究人员采用6种ML-GWAS模型鉴定出124个与9个根茎性状显著关联的QTNs（数量性状核苷酸），其中38个关键QTNs在多个模型中重复出现，28个与已报道的QTLs共定位。研究首次发现16个位于基因间区的QTNs可能调控幼苗根系发育，为高粱抗旱育种提供了新靶点。

　　

在气候变化加剧的背景下，干旱已成为威胁全球粮食安全的首要因素。作为世界第五大谷物，高粱(Sorghum bicolor)因其卓越的抗旱性被称为"骆驼作物"，这主要归功于其发达的根系系统。然而，根系构型(Root System Architecture, RSA)作为复杂的数量性状，受多基因调控且易受环境影响，其遗传机制尚未完全阐明。这项发表在《Scientific Reports》的研究，通过高通量根系表型分析和多位点基因组关联策略，揭开了高粱幼苗期根系发育的遗传密码。

研究团队从埃塞俄比亚生物多样性研究所等机构精选200份抗旱种质，采用定制根室系统进行标准化表型采集。关键技术包括：1)基于随机区组设计的根系动态成像；2)6种ML-GWAS模型(mrMLM、FASTmrMLM等)并行分析；3)65kb连锁不平衡(LD)窗口的候选基因筛选；4)与Sorghum QTL Atlas数据库的共定位验证。

主要结果

表型变异

通过温室实验发现，高粱种质在根系角度(14.5°-27.33°)、根数(6.33-15.67条)等性状呈现显著差异。值得注意的是，根系角度(h²=0.93)和根长(h²=0.89)表现出超高遗传力，暗示这些性状受强遗传控制。

基因组特征

从21,010个SNP标记中筛选17,637个高质量位点，确定埃塞俄比亚高粱核心种质的LD衰减距离为65kb。这一参数为后续QTN定位提供了重要阈值。

QTNs鉴定

6种模型共检测到124个显著QTNs，其中38个"高置信度"QTNs被至少两种模型共同捕获。染色体分布分析显示Chr03(9个QTNs)、Chr01(6个)和Chr07(6个)是根系性状的"热点区域"。特别引人注目的是，S5_59063690位点同时关联根系角度、根长和根干重，可能通过调控Chalcone合成酶基因(Sobic.005G137300)影响黄酮代谢通路。

新老QTL对话

28个QTNs与已知QTLs共定位，如S10_50183939与Bekele等报道的根长QTL重叠。同时发现的10个新QTNs中，S7_1078535位于RNA结合蛋白基因(Sobic.007G011600)附近，可能通过KH结构域调控根系mRNA剪接。

候选基因挖掘

438个候选基因中，16个含有QTNs的基因尤为关键。例如LRR蛋白基因(Sobic.010G170500)可能参与生长素信号转导，而Sobic.001G331200编码的吲哚-3-乙酸酰胺合成酶直接参与根系发育调控。

这项研究构建了高粱幼苗期根系发育的遗传框架，发现34.9%的候选基因功能未知，揭示了该领域巨大的探索空间。从应用角度看，S5_59063690等位点可作为分子标记用于抗旱育种，而根系角度相关QTNs为培育适宜机械化收获的品种提供新思路。理论上，研究证实多位点GWAS在解析复杂性状上的优势，为其他作物根系研究提供了方法论参考。随着对Sobic.007G011600等新基因功能的深入解析，或将开辟作物抗旱改良的新途径。