基于GWAS的水稻稻壳硅含量与形态遗传结构解析：关键QTL、候选基因及上位性互作

《Planta》：Dissecting the genetic basis of rice husk silica content and morphology using GWAS

　　

主要结论：研究人员的发现揭示了水稻稻壳（RH）硅性状背后的复杂遗传结构，鉴定了关键数量性状位点（QTL）、候选基因及上位性互作，这些结果在水稻育种和硅资源化利用中具有潜在应用价值。摘要：水稻组织中含有大量无定形二氧化硅。稻壳（RH）含17–30%二氧化硅，可回收用于多种工业。研究人员开展了全基因组关联分析（GWAS），以定位5个RH特征的遗传决定因子：二氧化硅含量、二氧化硅块长度和宽度、刺（稻壳表面的锥形突起，thorn）高度及基部长度。基因组分析使用了来自水稻基因型的44,100个单核苷酸多态性（SNP）数据集。共鉴定出48个显著SNP，对应9条水稻染色体上的23个独特QTL。与硅性状相关的最显著SNP和QTL位于第2、6和9号染色体。参与界定RH硅相关性状的候选基因涉及生长发育（锌指蛋白（zinc finger protein）、含酯酶SGNH水解酶型结构域蛋白（esterase SGNH hydrolase-type domain-containing protein）、糖基转移酶（glycosyltransferase）），重金属解毒与运输（ABC转运蛋白（ABC transporter）、含BTB结构域蛋白（BTB domain-containing protein）、含重金属运输/解毒蛋白结构域蛋白（heavy metal transport/detoxification protein domain-containing protein）、含锚蛋白重复结构域（ankyrin repeat domain-containing）），胁迫响应（编码几丁质酶（chitinase）、过氧化物酶（peroxidases）、多酚氧化酶（polyphenoloxidases）、β-1,3-葡聚糖酶（β-1,3-glucanase）、苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase）、抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase）、谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase）、过氧化氢酶（catalase）、脂氧合酶（lipoxygenase）、葡聚糖酶（glucanase）、F-box蛋白（F-box protein）、含NB-ARC结构域蛋白（NB-ARC domain-containing protein）、类囊体膜磷蛋白（thylakoid membrane phosphoprotein）的基因），以及转录调控（MYB转录因子（MYB transcription factor）、含TCP结构域蛋白（TCP domain-containing protein））。单倍型分析鉴定了SBL（silica block length，二氧化硅块长度）和TH（thorn height，硅刺高度）两个性状的单倍群qSBL91和qTH31。候选SNP间上位性互作分析鉴定出细胞色素P450（cytochrome P450）、糖基水解酶（glycosyl hydrolases）、漆酶（laccases）、锌指（zinc finger）和bHLH之间18个显著SNP-SNP互作。

研究背景与问题：二氧化硅（SiO₂）存在于岩石、矿物、火山玻璃及水稻、小麦稻壳等生物源材料中。水稻组织含大量无定形二氧化硅，稻壳（RH）含17–30%二氧化硅，可回收用于玻璃陶瓷、耐火与气凝胶复合材料、混凝土、砖、医药、药物递送、能源、吸收、催化及肥料和农药配方等。硅可提高植物对生物和非生物胁迫的抗性，影响机械强度、防御酶、抗菌化合物、信号通路和防御相关基因表达。稻壳是水稻生产国常被忽视的农业废弃物/副产物，由纤维素、木质素、半纤维素、戊聚糖和二氧化硅等组成；植物中二氧化硅为无定形，与土壤中结晶态不同。已有水稻秸秆硅含量全基因组关联分析（GWAS）鉴定ABC转运蛋白（ABC transporter）、Casparian thickening、多药和毒素外排（MATE）蛋白、F-box和MYB转录因子等候选基因；但稻壳硅含量和排列的遗传基础仍需解析。研究人员首次用153份水稻基因型GWAS群体解析RH硅含量和排列，鉴定5个性状数量性状位点（QTL），为RH硅特征的分子分析提供基础。

研究开展与结论意义：研究人员以283份Oryza sativa种质（来自82个国家，含地方品种、育种品系、品种和栽培品种，另加3个当地对照品种Sadri、Sang Tarom、Dom siah Kalat）为材料，其中153份在伊朗Sari Agricultural University试验田2023–2024生长季成熟；测定RH硅含量和形态，利用44,100个单核苷酸多态性（SNP）（过滤次要等位基因频率（MAF）<0.05后34,072个高质量SNP）进行GWAS，采用一般线性模型（GLM）、混合线性模型（MLM）和固定和随机模型循环概率统一（FarmCPU），选择FarmCPU；鉴定48个显著SNP，对应23个QTL；候选基因涉及生长发育、重金属解毒与运输、胁迫响应和转录调控；qSBL91和qTH31单倍群及18个显著SNP-SNP上位性互作。结论：该研究揭示复杂遗传结构，为水稻育种和硅资源化提供潜在应用。意义：提高对决定RH硅含量基因的理解。

关键技术方法：供试材料为283份水稻种质（Oryza sativa L.，来自82个国家，另加3个当地对照品种），其中153份在伊朗Sari Agricultural University试验田2023–2024生长季成熟。采用酸浸提法提取稻壳二氧化硅并灼烧称重；用扫描电子显微镜（SEM）和光镜观察，Tracker 6.1.6测量5个形态性状；基于Gramene的Oryza SNP和OMAP项目44,100个SNP（MAF<0.05后34,072个）进行主成分分析（PCA）和GWAS（GLM、MLM、FarmCPU）；TASSEL估计连锁不平衡（LD）衰减并以r²半衰区界定候选基因；GeneHapR进行单倍型分析；FRGEpistasis进行上位性分析。

研究结果：
群体结构与LD衰减（Population structure and LD decay）：通过153份材料表型、PCA和kinship矩阵分析，RH硅含量为3.53–35.45%（最高g248，最低g133）；PCA显示亚群分化，按Zhao et al. (2011)分为4类，而研究人员PCA分为3类；kinship结果显示TEJ、IND、AUS、AROMATIC、TRJ五个亚群；LD衰减半衰r²均值从第11染色体的170 kbp到第7染色体的875 kbp，全基因组平均每10,114 bp一个SNP。
全基因组关联分析（Genome-wide association studies）：用34,072个SNP进行关联定位；Manhattan图显示48个?log₁₀(p)≥3.7的SNP与5个性状相关，分布于除第5、8、12号染色体外的所有染色体，位于23个QTL区；比较GLM、MLM和FarmCPU后选择FarmCPU，因其检测到更多标记-性状关联；多效性基因包括富含亮氨酸重复基因、类似laccase 90c、果糖-6-磷酸-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶等。
QTL区候选基因挖掘（Candidate gene mining in QTL regions）：在GWAS信号附近发现多个候选基因；ABC transporter、F-box protein和MYB transcription factor等已有其他作物硅含量报道；首次报道与RH硅相关的包括laccase 90c、lipoxygenase、esterase SGNH hydrolase型结构域蛋白、PEPC kinase、leucine-rich repeat、homeodomain-like蛋白、glycosyltransferase、phenylalanine ammonia-lyase、NB-ARC、heavy metal transport/detoxification蛋白结构域、disease resistance protein结构域、ankyrin repeat、DAG protein、lipase GDSL结构域和thylakoid membrane phosphoprotein。
单倍型分析（Haplotype analysis）：硅块长度（SBL）的qSBL91区（第9染色体）有2个单倍型，H001在105份材料中广泛分布（欧洲和亚洲较多），H002在32份来自美洲、非洲、澳大利亚和南亚的材料中，二者无显著差异；H001以TEJ、IND、AUS和ADMIX为主，H002以TRJ、ADMIX和TEJ为主。硅刺高度（TH）的qTH31区（第3染色体）有3个显著单倍型，H001 113份、H002 19份、H003 12份；H001以TEJ、TRJ、ADMIX和IND为主，H002仅IND，H003为AUS、ADMIX和AROMATIC；3个单倍型性状值差异显著，讨论指出第3和第2组刺高显著大于第1组，AUS、AROMATIC和IND基因型刺高较高。
上位性分析（Epistasis analysis）：候选基因间上位性分析鉴定出18个显著SNP–SNP互作，涉及cytochrome P450、WD40、zinc finger、DUF247、NB-ARC、pentatricopeptide repeat、Hsp70、peptidase、ankyrin repeat、serine/threonine protein kinase、WRKY transcription factor、protein kinase等，与硅块宽度（SBW）、TH和刺基部（TB）性状相关。

讨论部分总结：稻壳硅化影响植株结构和机械性能，生物性纤维内硅化使二氧化硅沉积于纤维素纳米纤维并影响硅颗粒生长，与植物蛋白石和稻壳强度有关；稻壳灰来源硅石可促进水稻生长。硅与多种生物和非生物胁迫调控有关。与Gowda et al. (2023)和Tran et al. (2024)等研究比较，本研究的细胞色素P450（CYP450）位于显著SNP侧翼，ABC transporter、F-box protein和MYB transcription factor与已有硅含量报道一致。讨论按重金属解毒与运输、生长发育、转录因子、胁迫响应基因、重要单倍型和上位性互作解释候选基因功能，例如ABC transporter与Si/Cd/As转运、BTB与重金属抗性、ankyrin repeat与硅生物矿化、zinc finger/homeodomain-like与表皮毛、esterase SGNH与dr突变体硅沉积、glycosyltransferase与混合连接葡聚糖（MLG）/CslF6、MYB和TCP与硅调控、F-box/PAL/NB-ARC/TMP与胁迫响应；laccase和cytochrome P450可能构成研究硅遗传的生物学模块，glycosyl hydrolases、acyltransferases和laccases处于硅化相关网络，zinc finger和bHLH可能调控细胞壁通路和硅响应。

研究结论（翻译）：该研究在O. sativa中鉴定了与稻壳硅含量和形态相关的QTL和候选基因，有助于解释这些性状在水稻材料中的遗传基础。文献综述显示，GWAS信号附近的一些基因（显著SNP侧翼基因）已被报道与水稻硅含量相关。本研究鉴定了与稻壳硅性状相关的最重要标记位于第2、6和9号染色体。与这些性状相关的候选基因涉及生长发育、重金属解毒与运输、胁迫响应和转录调控。研究结果提高了对决定RH硅含量的基因的理解。