全基因组关联研究揭示中国华南稻区水稻分蘖数相关基因

《Agronomy》：Genome-Wide Association Study of Genes Conferring Tiller Number in Rice Region of South-China

　　

水稻分蘖数是决定穗数和产量的关键因素，然而其遗传结构高度受环境变异影响。在同一试验点跨多个生长季鉴定出具有可重复效应的位点，对于提高基于全基因组关联分析（GWAS）的育种位点优先排序的可靠性至关重要。本研究利用来自Rice3K群体的240份水稻材料，在代表中国华南稻区的海南省三亚市，对三个生长季（2021-2023年）的分蘖数进行了评估。采用一般线性模型（GLM）和混合线性模型（MLM）结合最佳线性无偏估计（BLUEs）进行全基因组关联分析，鉴定出可重复的遗传信号。在不同分析中检测到多个先前报道的分蘖相关基因，如NAL1、BON3、ANT1、MRG702、D27、WTG1和VPE2。其中，NAL1和ANT1是三个生长季及统计模型中最一致关联的位点。基于基因的关联分析鉴定出NAL1启动子中的变异Chr4:31203262（C/T）和ANT1启动子中的变异Chr7:7310528（G/A）为主导多态性，其有利等位基因C和G分别与分蘖数增加相关。此外，还鉴定出9个在三个生长季中均显示提示性关联的假定候选位点，作为潜在的候选育种资源。这些结果强调了将多年表型鉴定与GWAS相结合以优先排序在三个生长季中显示可重复关联的位点的重要性，并为未来针对华南稻区水稻的分子改良提供了有价值的候选遗传资源。

**论文解读：基于多环境全基因组关联分析鉴定华南稻区水稻分蘖数稳定遗传位点**

**研究背景与问题**

水稻（*Oryza sativa* L.）是全球最重要的粮食作物之一，其分蘖数是决定每穗粒数和最终产量的关键农艺性状。分蘖由基部腋芽发育而来，最终分蘖数受腋芽形成数量及成功发育为有效分蘖的比例共同调控。尽管高分蘖数通常与高产潜力相关，但过度分蘖会导致粒重下降和灌浆不足，因此理想育种目标为最优分蘖数而非最大分蘖数。水稻分蘖受到复杂的遗传网络调控，涉及转录因子（如OsMOC1）、功能基因（如NAL1、BON3、ANT1）以及激素（如独脚金内酯SL、油菜素内酯BR）的协同作用。然而，分蘖发育对环境因子（温度、光周期、土壤肥力等）高度敏感，导致其遗传结构在不同生态区域间存在差异。以往多数研究仅依赖单一环境数据，难以区分环境特异性位点与稳定遗传位点，限制了GWAS结果在育种中的应用价值。因此，有必要在同一试验点开展多年多点表型鉴定，以优先排序可重复检测的遗传位点，为华南稻区水稻分蘖改良提供可靠遗传资源。

**研究人员开展的研究、结论与意义**

本研究利用Rice3K项目来源的240份水稻材料（涵盖籼稻、粳稻等12个亚群，来自20多个国家），在代表华南稻区的海南省三亚市（18°14′N，109°31′E）进行了连续三个生长季（2021-2023年）的分蘖数表型调查。采用一般线性模型（GLM）和混合线性模型（MLM）进行全基因组关联分析（GWAS），并结合最佳线性无偏估计（BLUEs）整合多环境数据。研究鉴定出多个先前报道的分蘖相关基因，其中NAL1和ANT1在三个生长季及不同统计模型中均表现出最一致的关联信号。基于基因的关联分析进一步定位到NAL1启动子区SNP（Chr4:31203262 C>T）和ANT1启动子区SNP（Chr7:7310528 G>A）为有利等位基因，分别与分蘖数增加相关。此外，还发现9个在三个生长季中均显示提示性关联的SNP位点，且累积有利等位基因数与分蘖数呈正相关趋势。该研究发表于《Agronomy》期刊。重要意义在于：通过多年表型与GWAS的整合，系统筛选出在华南稻区生态条件下具有跨季节可重复性的分蘖数遗传位点，为后续分子标记辅助育种和功能验证提供了优先候选靶标，并强调了多环境实验设计在提高GWAS位点可靠性中的关键作用。

**主要关键技术方法**

研究人员使用了以下关键技术方法：（1）群体遗传分析：基于584,145个高质量SNV（单核苷酸变异）数据，利用ADMIXTURE软件推断群体结构（K=12），并计算中心化身份状态（IBS）亲缘关系矩阵。（2）表型数据分析：对三个生长季分蘖数进行线性混合模型拟合，估算最佳线性无偏估计（BLUEs）和广义遗传力（H²）。（3）全基因组关联分析：采用TASSEL 5.0软件分别执行一般线性模型（GLM，以Q矩阵为协变量）和混合线性模型（MLM，以Q矩阵和亲缘关系矩阵K为协变量），以Bonferroni校正（p < 0.05/584145）和提示性阈值（-log₁₀(p) > 4）定义显著性位点。（4）基于基因的关联分析：提取基因体及上下游2 kb区域内SNP，进行单倍型分析（Haploview v4.2），通过一般线性模型评估单倍型与分蘖数的关联。（5）多基因累积效应分析：统计各材料携带的有利等位基因数量，比较不同等位基因组合下的分蘖数差异。样本队列来源：240份材料由中国农业科学院作物科学研究所收集并提供。

**研究结果**

**3.1 多年表型变异显示分蘖数的稳定遗传控制**
通过对240份材料在三个生长季（2021-2023年）的表型调查，分蘖数呈连续近似正态分布，表明该性状为数量性状。各年份平均分蘖数分别为9.9、9.8和7.7，年度间表型相关系数0.620-0.700，呈中等至强一致性。BLUE值呈正态分布，均值为9.15，证实基因型对表型变异有显著贡献。这表明尽管环境条件影响绝对分蘖数，但材料的相对排名在三个生长季中高度一致，为多年GWAS提供了可靠表型基础。

**3.2 全基因组关联分析揭示跨生长季的可重复遗传信号**
GLM和MLM分析分别检测到不同数量的显著SNP。BLUE整合分析减少了年份特异性信号，提高了重复检测位点的置信度。Q-Q图和基因组膨胀因子（λ）显示MLM有效控制了群体结构和亲缘关系带来的假阳性，而GLM在某些数据集中存在膨胀。多个基因组区域在三个生长季及不同模型中均被一致检测到，表明重复检测是区分可重复位点与年份特异性关联的有效标准。

**3.3 先前表征的分蘖基因的稳定检测支持其生态重要性**
NAL1和ANT1在所有分析中（包括三个生长季及BLUE分析）均被重复检测，而BON3、MRG702、D27、WTG1和VPE2仅出现在特定年份或模型中。NAL1在染色体4的31.2 Mb区域周围存在多个关联SNP，是检测最一致的位点。ANT1在染色体7上的关联信号在多个年份及综合分析中仍显著，表现出跨季节可重复性。

**3.4 基于基因的关联分析鉴定出NAL1和ANT1的稳定有利等位基因**
对于NAL1，最强关联信号位于启动子SNP Chr4:31203262（C/T），C等位基因在三个生长季中均与显著更高的分蘖数相关，且在BLUE分析中仍显著。对于ANT1，主导SNP位于启动子Chr7:7310528（G/A），G等位基因与更高分蘖数相关，尽管2022和2023年关联强度较弱，但综合分析中仍可检测。

**3.5 多位点分析鉴定出与更高分蘖数相关的有利等位基因组合**
提取在三个生长季中均超过提示性阈值（-log₁₀(p) > 4）的9个SNP，其中8个位点等位基因间分蘖数差异显著。有利等位基因定义为在群体中与较高平均分蘖数相关的等位基因。累积有利等位基因数越多的材料，分蘖数越高，表明多位点存在加性遗传贡献。但携带3个有利等位基因的材料分蘖数低于预期，可能因位点间上位效应或遗传背景差异所致。

**3.6 有利等位基因在水稻亚群和高分蘖材料中的分布**
携带少于4个有利等位基因的材料主要为粳稻，而籼稻随有利等位基因数增加而富集，这与华南稻区籼稻主导的种质特征一致。在每年分蘖数前10%的材料中，6个位点（rs__4957526、rs__67948430、rs__105025582、rs__219858350、rs__335303594、rs__335546476）的有利等位基因频率超过90%，其中rs__219858350频率最高（98.4%）。染色体11上两个标记紧密连锁，可能代表同一基因组区域。

**讨论与结论总结**

讨论部分指出：分蘖数受多基因控制且环境敏感，单一环境GWAS常产生大量环境特异性位点。本研究通过三个生长季的重复表型鉴定，将NAL1和ANT1确定为华南稻区最稳定的分蘖数关联位点。NAL1编码胰蛋白酶样丝氨酸/半胱氨酸蛋白酶，其启动子变异可能通过调控表达影响分蘖；ANT1编码芳香族和中性氨基酸转运蛋白，其启动子多态性重复检测表明其跨季节效应。除已知基因外，BON3、MRG702、D27、WTG1、VPE2等仅在个别年份检测到，其中VPE2可能与低温响应间接相关，但需进一步验证。多位点累积效应分析表明分蘖数主要受加性遗传控制，但上位效应不可忽视。研究强调多年表型整合可提高GWAS可靠性，但存在单一试验点、残余群体结构混淆、关联位点非因果变异等局限性。未来需结合功能基因组学和多环境验证。

**研究结论**（翻译原文结论部分）：
本研究利用来自Rice3K群体的多样材料，在华南稻区生态条件下开展了水稻分蘖数的多年全基因组关联分析。鉴定出多个先前报道的分蘖相关基因，其中NAL1在三个生长季及分析模型中表现出最一致的关联，而ANT1在多个数据集中被重复检测。基于基因的分析进一步鉴定出NAL1和ANT1中与分蘖数增加相关的有利启动子变异，以及9个在三个生长季中显示可重复提示性关联的假定候选位点。这些发现为未来的功能验证和分子标记辅助育种提供了有价值的候选位点。更广泛地，本研究强调了将多年表型鉴定与GWAS相结合以优先排序在三个生长季中显示可重复关联的位点的重要性，为在特定农业生态条件下鉴定稳健的水稻改良遗传靶点提供了实用框架。由于本研究仅在单一试验点进行，这些位点直接应用于育种前需在多个环境中进一步验证并评估其产量表现。