西瓜热胁迫下种子萌发能力相关QTL及候选基因的鉴定

《Frontiers in Plant Science》：Identification of QTLs and candidate genes associated with seed germination capacity under heat stress in watermelon

　　

背景: 热胁迫严重抑制了直播作物（如西瓜）的种子萌发。然而，调控热胁迫下萌发能力的遗传基础仍不清楚。 方法: 研究人员利用耐热自交系8R098（热胁迫下高萌发率）与热敏感自交系8R122（热胁迫下低萌发率）杂交，构建了一个包含132个个体的F2群体。采用单核苷酸多态性-性状关联分析和连锁作图来解析热胁迫下种子萌发能力的遗传基础。对热胁迫下高、低萌发种质的萌发期样本进行了RNA测序，以筛选差异表达基因。 结果: 种子萌发的耐热性以高:低的比率1:3分离，表明其具有近隐性遗传特性。一个控制热胁迫萌发耐受性的主效数量性状位点被精细定位至10号染色体29.05~33.41 Mb区间内，包含472个注释基因。RNA测序鉴定出1519个响应热胁迫的差异表达基因，这些基因富集于植物激素信号转导和代谢通路。在该数量性状位点区域内，共发现101个位于76个蛋白质编码基因中的潜在功能性非同义单核苷酸多态性。整合差异表达基因和含非同义单核苷酸多态性基因的分析，并过滤掉表达趋势不一致的基因后，保留了四个携带等位变异的候选基因，即Cla97C10G205480、Cla97C10G205850、Cla97C10G204760和Cla97C10G203920。 结论: 研究人员的发现揭示了调控西瓜种子萌发过程中耐热性的候选基因，并为培育在萌发阶段具有改良耐热性的西瓜品种提供了有用的遗传资源。

研究背景与目的

随着全球气温升高，热胁迫已成为限制农作物生产的主要环境因素之一。热胁迫不仅会降低植物的光合效率、扰乱代谢稳态，还会导致叶片萎蔫坏死，最终影响产量和品质。种子萌发是植物生命周期的起始阶段，对温度尤为敏感。在热胁迫下，作物常进入热休眠或生长停滞状态，导致萌发活力下降甚至无法正常萌发。此外，萌发期的热胁迫还会对种子质量、休眠、出苗及幼苗建成产生不利影响。因此，培育耐热作物品种对于缓解全球气候危机至关重要。

西瓜是一种广泛栽培的世界性水果作物，其最适生长温度为20至32℃。过高的温度会显著降低其种子萌发率。然而，调控西瓜热胁迫下萌发能力的遗传位点此前尚未被鉴定。为解决这一问题，研究人员整合了单核苷酸多态性-性状关联分析、数量性状位点定位和转录组测序技术，旨在鉴定与热胁迫下种子萌发能力相关的关键遗传位点，为改良西瓜萌发期耐热性提供基因资源。

主要关键技术方法

研究人员利用耐热自交系8R098与热敏感自交系8R122杂交，构建了一个包含132个个体的F₂群体（材料来源于国家西瓜甜瓜中期库，郑州）。采用全基因组重测序技术对亲本及F₂个体进行测序，获取高质量SNP标记。运用一般线性模型进行全基因组SNP-性状关联分析，初步界定候选基因组区间。随后，利用染色体10上的均匀分布标记构建遗传连锁图谱，并通过复合区间作图法进行QTL定位，以独立验证关联分析结果。同时，对亲本及F₂极端混池在对照和热胁迫下的萌发期胚胎样本进行RNA-seq，以筛选差异表达基因。

研究结果

3.1 耐热萌发能力受隐性遗传控制

通过对亲本及其F₁群体的萌发表型分析，发现耐热系8R098在热胁迫下表现出最高的萌发能力，而热敏感系8R122及正反交F₁群体均完全丧失萌发能力。F₂群体各萌发指标呈双峰分布，以相对萌发率≥0.6为标准划分高低表型，高:低个体比例符合1:3的理论比值，表明该性状由一个主效隐性基因控制，并伴有微效修饰基因效应。

3.2 与耐热种子萌发能力相关的主效QTL鉴定

通过全基因组SNP-性状关联分析，在10号染色体28.05~34.80 Mb区间检测到一个与所有五个萌发相关指标均显著关联的信号。进一步利用染色体10上的246个标记构建遗传连锁图谱（总长321.40 cM，覆盖39.27 Mb），通过QTL作图将该位点精确定位于10号染色体的29.05~33.41 Mb物理区间，从而独立验证了关联分析的结果。

3.3 通过转录组分析鉴定主效QTL内的候选基因

对八个样本组进行RNA-seq分析，共鉴定出1519个共同响应的差异表达基因，这些基因富集于植物激素信号转导和代谢通路。在QTL区间的3634个SNP中，筛选出101个位于76个基因中的潜在功能性非同义SNP。将76个含nsSNP的基因与1519个共同DEGs取交集，并排除表达趋势不一致的基因后，最终获得5个候选基因，其中Cla97C10G203530因表达模式不一致被剔除，剩余4个候选基因分别为Cla97C10G205480、Cla97C10G205850、Cla97C10G204760和Cla97C10G203920。RT-qPCR验证了转录组数据的可靠性。这些候选基因的外显子区域均存在导致氨基酸替换的非同义突变。

3.4 鉴定的候选基因通过多种不同途径参与热胁迫响应

GO和KEGG富集分析显示，1519个共同DEGs主要富集于细胞与代谢过程、结合与催化活性等功能类别，以及植物激素信号转导、淀粉蔗糖代谢、碳代谢和氨基酸生物合成等通路。四个候选基因的功能注释各异：Cla97C10G205480编码一个VARLMGL结构域蛋白，可能通过蛋氨酸分解代谢增强耐热性；Cla97C10G205850编码一个三角状五肽重复蛋白，可能与细胞器RNA代谢和脱落酸信号有关；Cla97C10G204760编码一个叶绿体类RETICULATA蛋白，可能参与质膜维持；Cla97C10G203920编码一个蛋白磷酸酶2C，可能是脱落酸信号的负调控因子。

讨论与结论

本研究首次在西瓜中通过整合策略鉴定出一个与热胁迫下种子萌发能力相关的QTL和四个候选基因。研究发现，热胁迫下的种子萌发能力主要由一个主效隐性基因控制，并伴有微效修饰基因。通过SNP-性状关联分析与传统QTL作图的相互验证，将目标位点定位于10号染色体约4.35 Mb的区间内。尽管由于F₂群体规模有限，定位区间仍然较宽，但通过结合转录组数据和非同义突变分析，成功将候选基因范围缩小至四个。

研究结论指出：研究人员的发现揭示了调控西瓜种子萌发过程中耐热性的候选基因，并为培育在萌发阶段具有改良耐热性的西瓜品种提供了有用的遗传资源。这些候选基因可能通过蛋氨酸代谢、细胞器RNA加工、质膜维持以及脱落酸信号转导等多种不同途径参与热胁迫响应，为后续通过过表达和基因编辑技术进行功能验证奠定了坚实基础。