陆地棉GhAARS Ⅰ家族基因的鉴定及GhAARS Ⅰ-17调控株高的功能分析

　　

摘要：

【目的】株高是棉花重要的农艺性状，对其产量、纤维品质和机械化采收效率具有直接影响。在多种植物中，氨酰-tRNA合成酶参与发育调控过程。在全基因组水平鉴定陆地棉Ⅰ类氨酰-tRNA合成酶家族成员，解析其进化特征与表达模式，并重点探究GhAARS Ⅰ-17在株高调控中的功能，发掘可用于辅助育种的优异等位变异，为培育适宜机械化生产的棉花品种提供基因资源与理论依据。【方法】基于棉花多组学数据库及多个植物基因组数据库，利用隐马尔可夫模型（HMM）鉴定陆地棉和其他9个物种的AARS Ⅰ家族成员。采用最大似然法构建系统进化树，结合共线性、基因结构、保守基序和启动子顺式作用元件分析，揭示该家族的进化历程与结构特征。利用组织特异性RNA-seq数据和RT-qPCR分析基因表达模式，筛选与株高相关的候选基因。通过病毒诱导基因沉默（virus induced gene silencing，VIGS）技术在陆地棉中对候选基因进行功能验证，观察植株表型。基于已发表的陆地棉种质资源的基因组数据，对其编码区进行SNP鉴定和关联分析，验证其与株高的遗传关联，并分析优异等位变异在不同生态棉区的分布频率，开发KASP（kompetitive allele-specific PCR）标记。【结果】在陆地棉中共鉴定出18个GhAARS Ⅰs，系统进化分析将其分为3个亚族，各含6个成员，且按催化氨基酸类型可进一步分为缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和甲硫氨酸相关亚类，其中，缬氨酸与异亮氨酸成员数量较多。共线性分析表明，该家族基因在棉属间保守性较高，且在陆地棉中的扩张主要源于片段复制事件。基因结构与保守基序分析显示，同一亚族成员结构相似。启动子区域富含光响应、激素响应元件，提示其在棉花生长发育过程中参与多种调控途径。RNA-seq数据和RT-qPCR分析表明，GhAARS Ⅰ-17在根、茎和花萼中高表达，且在高秆品种中高表达。利用VIGS对GhAARS Ⅰ-17进行功能鉴定，结果表明，与对照相比，GhAARS Ⅰ-17沉默植株株高降低5.45 cm，茎粗减少0.78 mm。育种演化分析发现，GhAARS Ⅰ-17中C基因型为优异等位变异，且在陆地棉育种过程中受到选择；在此基础上，开发了可用于区分该等位变异位点的KASP分子标记。【结论】GhAARS Ⅰ-17参与株高调控，其功能缺失会导致植株矮化、叶绿素含量降低和生物量积累不足，该基因的优异等位变异与株高性状密切相关。