谷子(Setaria italica)种质资源农艺性状遗传多样性及调控千粒重基因的鉴定

《Food and Energy Security》：Genetic Diversity of Agronomic Traits and Identification of Genes Regulating Thousand-Grain Weight in Foxtail Millet (Setaria italica) Germplasm Resources

　　

千粒重（TGW）是谷子产量的关键决定因素。为阐明调控该性状的分子调控网络，研究人员系统评估了40份核心种质资源的主要农艺性状和遗传多样性，旨在鉴定优良遗传资源。随后，对具有对比性TGW（高vs低）的材料进行了转录组差异表达分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）、通路富集分析和通路间相互作用网络分析，目标是定位参与TGW调控的关键候选基因。表型分析结果表明，8个农艺性状的Shannon-Wiener多样性指数（H′）范围为1.82至2.04，变异系数（CV）范围为21.83%至68.14%。遗传参数分析表明，TGW具有最高的广义遗传力（87.10%）。所有性状的基因型×环境互作方差组分均显著（p<0.05）。同时，对于TGW、株高（PH）和穗长（PL），这些组分显著小于基因型方差，但穗重（SW）和穗直径（PD）除外。聚类分析将40份种质资源分为四组。第III组在整体表现上最优，尤其在TGW方面，凸显了其在高产育种中的应用潜力。主成分分析（PCA）提取了四个主成分，解释了总变异的84.97%。相关性分析显示，TGW与主穗粒重（GWMP）和主茎穗重（PWMS）呈极显著正相关。转录组数据揭示，与碳水化合物代谢、糖转运、淀粉生物合成和细胞壁形成相关的通路在高TGW材料中显著增强，共同构成了TGW形成的核心调控网络。通过多数据集整合分析，细胞壁转化酶基因CIN1被鉴定为关键候选基因，其表达水平与TGW呈显著正相关。此外，转录因子WRKY50被预测可调控CIN1，可能参与谷子TGW的决定。这些发现为谷子分子育种和产量相关基因的发现提供了候选基因和理论基础。

**论文解读：谷子种质资源农艺性状遗传多样性及千粒重调控基因的鉴定**

**研究背景与科学问题**

谷子（Setaria italica L.）起源于中国黄河流域，是一种古老的禾本科作物，同时也是中国北方雨养农业系统和全球半干旱及干旱地区重要的食物与饲料来源。其基因组小、生长周期短、水分利用效率高且对非生物胁迫耐受性强，使其成为功能基因组学研究的理想模型物种。在气候变化加剧、水资源短缺以及人口持续增长导致粮食安全压力增大的背景下，培育高产、资源高效且气候适应性强的作物品种已成为农业研究的核心目标。然而，谷子产量仍低于水稻、玉米等主粮作物，限制其大规模推广。千粒重（TGW）作为产量构成的核心组分，直接决定籽粒灌浆饱满度、最终产量和外观品质，且因其较高的遗传稳定性和中等至高的广义遗传力，成为比穗数、每穗粒数等环境敏感性状更可靠的育种目标。尽管已有研究在谷子种质资源评价和关键功能基因鉴定方面取得进展，但系统整合极端材料筛选、精确表型鉴定、遗传多样性评估以及针对核心产量组分TGW的深度转录组挖掘的研究仍然有限。因此，本研究旨在：①系统评估8个关键农艺性状的表型多样性、遗传变异参数（表型变异系数PCV、基因型变异系数GCV）和广义遗传力；②通过聚类分析和主成分分析（PCA）明确种质资源中的表型模式和主要变异方向；③通过高、低TGW谷子的转录组差异表达分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）、功能富集分析和通路互作网络分析，鉴定影响TGW形成的关键调控网络和候选基因，并结合表达验证、相关性分析和启动子顺式元件预测，深入分析候选基因CIN1及其潜在上游转录因子WRKY50，阐明谷子TGW形成的分子调控机制，为高产遗传改良和分子育种提供理论依据和候选基因资源。该论文发表在《Food and Energy Security》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用了以下关键技术方法：①表型数据分析：基于40份核心谷子种质资源，在4个环境（北京顺义、河南安阳、山西长治、甘肃定西）进行田间试验，采用随机完全区组设计，3次重复，测定8个农艺性状（TGW、主穗粒重GWMP、抽穗期HD、穗直径PD、穗长PL、主茎穗重PWMS、株高PH、秸秆重SW）。使用R软件进行描述性统计、Shannon-Wiener多样性指数（H′）、混合线性模型估计方差组分（基因型、基因型×环境互作、误差）、计算PCV、GCV和广义遗传力（H2b），并进行聚类分析、相关性分析和PCA。②转录组分析：基于40份种质资源的TGW评估，选取高TGW组（前25%，10份）和低TGW组（后25%，10份）的样本，下载转录组测序数据（CRA002635，来自国家基因组科学数据中心），比对至谷子参考基因组Yugu1-T2T。使用limma包鉴定差异表达基因（DEGs）（|log2FC|>1，p<0.05）。③WGCNA：使用R包WGCNA构建基因共表达网络，鉴定与TGW最相关的模块。④功能富集分析：使用clusterProfiler包进行GO和KEGG富集分析，并基于Jaccard相似系数构建通路互作网络。⑤转录因子预测：利用PlantRegMap数据库预测CIN1启动子区（转录起始位点上游2 kb）的转录因子结合位点，并与共表达网络交集。⑥实时定量PCR（RT-qPCR）验证：在10份谷子种质（高、低TGW各5份）的灌浆后期籽粒中检测CIN1表达，以ACT7为内参。

**研究结果**

**2.1 40份谷子种质资源表型性状多样性分析**
通过表型分析，8个农艺性状的变异系数（CV）范围为21.83%至68.14%，按降序排列为：SW > GWMP > PWMS > HD > PD > PL > TGW > PH。Shannon-Wiener多样性指数（H′）范围为1.82至2.04，其中GWMP、PWMS和PH的H′≥2.00，PH最高（2.04），SW最低（1.82）。TGW和PH的CV较低且H′接近2.00，表明具有一定遗传变异基础和相对较好的表型稳定性，可优先作为后续育种改良性状。

**2.2 谷子种质资源表型性状的变异系数和广义遗传力**
遗传参数分析显示，PCV和GCV范围分别为10.22%~34.42%和9.45%~30.64%，GWMP最高，HD最低。广义遗传力（H2b）以TGW最高（87.10%），其次为HD（85.47%），SW最低（62.86%）。所有性状的基因型方差组分均显著（p<0.05），基因型×环境互作方差组分均显著（p<0.05），且对于TGW、PH和PL，该组分显著小于基因型方差，而SW和PD除外。

**2.3 谷子种质资源表型性状的聚类分析**
聚类分析将40份种质分为四类：第I组（5份）为早熟、低值型；第II组（20份）为中间型，表型表现均衡；第III组（5份）具有较优的TGW（2.92 g）和PD，为高产潜力种质资源；第IV组（10份）为晚熟、高秸秆重型。

**2.4 主成分分析和表型性状相关性**
PCA提取4个主成分，累计贡献率84.97%。PC1（44.28%）为产量和生育期综合因子，PC2（17.13%）为株型与籽粒饱满度平衡因子，PC3（13.00%）为穗型与生育期互补因子，PC4（10.56%）为TGW与穗结构权衡因子。相关性分析显示，TGW与GWMP和PWMS呈极显著正相关（p<0.001），GWMP与HD、PD、PL、PWMS、PH、SW呈极显著正相关（p<0.001），其他性状间也存在广泛显著正相关。

**2.5 与千粒重相关的差异表达基因**
高TGW组与低TGW组比较，共鉴定出370个DEGs（上调183个，下调187个）。功能注释显示，高TGW组中蔗糖和淀粉代谢相关基因（SPS5、CIN1、CIN7、IVR1）以及转运蛋白基因（STP14、SUT5、MST3、ABCG36等）显著上调；低TGW组中应激响应基因（WRKY38、RINO2等）优先表达。

**2.6 差异表达基因的功能富集分析**
GO和KEGG富集分析显示，高TGW组上调DEGs主要富集于碳水化合物生物合成过程、碳水化合物转运和半乳糖代谢通路；低TGW组上调DEGs主要富集于防御反应。

**2.7 加权基因共表达网络分析（WGCNA）**
WGCNA鉴定出10个共表达模块，其中darkgrey模块与TGW呈最强正相关（cor=0.486，p=0.03），包含1918个基因。该模块基因显著富集于葡聚糖生物合成过程、碳水化合物转运、淀粉生物合成过程调控和细胞壁等通路。

**2.8 通路互作网络分析揭示籽粒发育过程中碳水化合物代谢的协同调控**
通路互作网络分析显示，DEG上调基因和WGCNA darkgrey模块的GO和KEGG通路均形成以碳水化合物生物合成、糖转运、淀粉生物合成和细胞壁形成为核心的互作网络，表明这些生物学过程协同参与TGW调控。综合多证据，编码细胞壁转化酶的CIN1基因被鉴定为关键候选基因，因其参与淀粉和蔗糖代谢及半乳糖代谢通路，在高TGW组中显著上调，且位于TGW相关darkgrey模块中。

**2.9 候选基因CIN1的表达验证（qRT-PCR）**
qRT-PCR验证显示，CIN1在高TGW组籽粒灌浆后期的表达水平显著高于低TGW组，且其表达量与TGW呈显著正相关（Pearson's r=0.543，p=0.013），支持CIN1作为TGW调控候选基因。

**2.10 候选基因CIN1的上游调控因子预测**
通过共表达分析，筛选出16个与CIN1高度共表达（相关系数>0.8）的基因，其中WRKY50是唯一注释为转录因子的基因。PlantRegMap数据库预测在CIN1启动子区存在保守的WRKY50结合基序（TTGACTTTT），提示WRKY50可能是CIN1的上游调控因子。

**讨论与结论**

讨论部分总结了研究结果：40份谷子种质资源表型变异丰富，产量相关性状CV较高，但TGW和PH的遗传多样性指数较高且CV较低，具有重要育种价值。遗传参数分析表明TGW遗传力最高，受环境影响较小，适合早期世代选择。聚类和PCA揭示了种质资源的分类及变异模式。相关性分析表明TGW与穗粒重可协同改良。多水平转录组分析一致表明，碳水化合物代谢网络在高TGW材料中显著增强，其中细胞壁转化酶CIN1通过提高蔗糖卸载效率和调控碳分配促进籽粒灌浆，其表达与TGW正相关。WRKY50可能作为上游转录因子调控CIN1表达，但需进一步验证。

结论部分翻译：总之，本研究结合表型鉴定和转录组分析，系统评估了40份谷子种质资源的遗传多样性，建立了以碳水化合物代谢为中心的TGW形成调控网络，并提出了WRKY50-CIN1调控模块在谷子籽粒灌浆中的潜在作用。这些发现为谷子籽粒重量形成的分子基础提供了新见解，并为培育高TGW品种的分子育种提供了潜在候选基因。