水稻产量相关性状全基因组关联分析与单倍型分析鉴定遗传位点及候选基因（Oryza sativa L.）

《Frontiers in Plant Science》：Genome wide association mapping and haplotype analysis identify genetic loci and candidate genes associated with yield related traits in rice (Oryza sativa L.)

　　

水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的主粮作物之一，提高籽粒产量仍是水稻育种计划的主要目标。产量是受多种农艺性状影响的复杂数量性状，包括单株籽粒产量（GY）、结实率（SSR）、株高（PH）和千粒重（TGW）。本研究利用265份水稻种质组成的自然群体，于2022—2023年连续两个生长季在同一田间地点进行表型评价，并利用4,454,137个高质量单核苷酸多态性（SNP）开展全基因组关联研究（GWAS）。采用混合线性模型（MLM），使用两年环境间估算的最佳线性无偏预测（BLUP）值进行关联分析。共检测到102个显著SNP，合并为20个数量性状位点（QTL），其中包括5个与GY相关、4个与SSR相关、10个与PH相关、1个与TGW相关。其中多个位点与已报道的产量相关性状基因共定位，从而支持了GWAS结果的可靠性。候选基因鉴定与单倍型分析进一步筛选出4个优先候选基因：控制GY的LOC_Os09g28230（GID1L2）、控制SSR的LOC_Os05g09500、控制PH的LOC_Os03g06930以及控制TGW的LOC_Os02g09170。不同单倍型间的显著表型差异支持这些基因可能参与调控自然性状变异。这些发现为水稻产量相关性状的遗传基础提供了见解，并为后续验证和育种提供了遗传资源。然而，由于本研究仅包含同一田间地点的两个年份环境，在推断更广泛的环境可重复性或育种适应性之前，仍需进行额外的多环境验证。

水稻产量相关性状的遗传解析：全基因组关联分析与单倍型分析的研究进展与意义

一、研究背景与问题

粮食安全是人类生存、经济发展和社会稳定的基础。水稻（Oryza sativa L.）养活了全球超过一半的人口，为近40亿人提供每日20%以上的热量摄入。到本世纪中叶，全球人口预计接近100亿，粮食需求将大幅增加，全球粮食产量需在现有基础上提高50%。然而，快速城市化、耕地资源减少以及干旱、高温等气候相关胁迫日益频繁，对农业生产构成严重威胁。因此，在现有耕地面积上提高水稻产量成为保障未来粮食安全的关键目标。

水稻产量由每穗粒数、有效穗数和千粒重（TGW）等主要构成因素决定，而这些构成因素又受多种农艺性状影响。结实率（SSR）作为环境最敏感的产量性状之一，受高温、干旱等环境因素显著影响，并依赖雌雄蕊发育、受精和籽粒形成等多个生殖发育过程。尽管已克隆多个调控结实率的基因，如OsMRPL15、PSS1、SEC3A、OsCNGC13等，但自然变异在该性状中的遗传基础仍未完全阐明。千粒重和单株籽粒产量（GY）主要受籽粒大小和灌浆效率影响，已克隆的GS2、TGW6、GW2、BG1、GSN1等基因体现了激素信号、转录调控、泛素介导蛋白降解和发育信号网络等多条调控途径，但仍有许多控制粒重和产量的位点未被发现。株高（PH）是影响植株结构、抗倒伏性、生物量积累和籽粒产量的关键农艺性状，已鉴定出SBI、OsBRI1、D53、sd-1等70多个参与GA、BR、SL等信号通路的株高调控基因，但不同种质资源中仍存在大量待发掘的自然变异。尽管已鉴定出大量与GY、SSR、PH和TGW相关的QTL和基因，但由于这些性状的多基因遗传和强烈的环境效应，其遗传结构仍未完全阐明。将高密度GWAS与单倍型分析相结合，可为鉴定候选基因和优良等位基因提供有效途径。

二、研究内容与主要结论

研究人员以安徽省农业科学院水稻研究所提供并保存的265份水稻种质自然群体为材料，于2022—2023年连续两个生长季在同一田间地点（安徽省六安市舒城县幸福村）进行田间试验，采用随机完全区组设计（RCBD），三次重复。研究人员对GY、SSR、PH和TGW四个产量相关性状进行表型评价，利用4,454,137个高质量SNP开展GWAS，采用混合线性模型（MLM）结合BLUP值进行关联分析。共检测到102个显著SNP，合并为20个QTL，其中5个与GY相关、4个与SSR相关、10个与PH相关、1个与TGW相关。其中11个QTL与已报道的产量相关基因/QTL共定位，验证了关联结果的可靠性。通过候选基因注释、序列变异、单倍型分析和公共表达数据整合，研究人员优先筛选出4个候选基因：LOC_Os09g28230（GID1L2，赤霉素受体）用于GY，LOC_Os05g09500（胞质己糖激酶）用于SSR，LOC_Os03g06930（BEL1-like同源异型盒转录因子6，OsBLH6）用于PH，LOC_Os02g09170（蔗糖磷酸合酶，OsSPS2）用于TGW。不同单倍型间存在显著表型差异，表明这些基因的等位变异可能参与自然性状变异的调控。研究结果为理解水稻产量相关性状的遗传基础提供了见解，并为标记辅助选择（MAS）和分子育种提供了候选基因资源和优良单倍型。

三、主要关键技术与方法

研究人员利用265份水稻种质资源（来自安徽省农业科学院水稻研究所），在2022—2023年两个生长季进行田间表型鉴定。采用随机完全区组设计，三次重复，调查GY、SSR、PH和TGW。利用公共全基因组重测序数据（NCBI BioProject登录号PRJNA1141731），获得4,454,137个高质量SNP。使用R软件lme4包计算BLUP值，采用TASSEL软件中的MLM进行GWAS，以遗传I类错误计算器（GEC）估计有效独立检验数确定显著性阈值（p < 6.74 × 10^-6）。候选基因区间定义为每个lead SNP上下游各200 kb。利用SnpEff进行SNP功能注释，提取候选基因及其启动子区SNP进行单倍型分析，通过方差分析（ANOVA）和Tukey多重比较检验单倍型间表型差异，并结合水稻表达数据库（RED）中的公共转录组数据进行候选基因表达验证。

四、研究结果

（一）产量相关性状的表型变异与相关性分析

对265份水稻种质两年表型评价显示，所有性状均存在显著变异。GY在2022年平均为20.01 ± 7.5 g，2023年为26.68 ± 6.86 g；SSR从2022年的63.68 ± 16.46%增至2023年的85.01 ± 8.56%；PH和TGW的分布年际间相对稳定，变异系数（CV）均低于20%。广义遗传力（H_B²）范围为52.40%—94.72%，表明性状受中到高遗传控制。相关性分析显示，PH具有最强的年际相关性（r = 0.883，p < 0.001），GY年际相关较弱（r = 0.245，p < 0.001），SSR年际基本不相关（r = -0.017），表明复杂性状受环境强烈影响。GY与SSR（r = 0.514，p < 0.001）和PH（r = 0.262，p < 0.001）正相关，GY与TGW仅弱相关。

（二）产量相关性状的全基因组关联分析

利用MLM对4个性状进行GWAS，共检测到102个显著SNP，分布于除10号和12号染色体外的10条染色体上。相邻显著SNP合并后定义20个QTL。GY关联到5个QTL，其中qGY11.1解释最高表型变异（PVE = 13.63%），共定位到LOGL1、Ghd7、NAL8、MOG1等已知基因。SSR关联到4个QTL，qSSR6.1具有最强关联信号（p = 2.29 × 10^-9，PVE = 16.59%）。PH关联到10个QTL，qPH9.1具有最高PVE（14.27%），qPH9.2具有最低p值（2.72 × 10^-8），共定位到DPF、D2、SLRL1、OsINO80、OsARG、OsCBM1、OsISA3、Oshox4、OsBIM1等基因。TGW仅检测到1个QTL（qTGW2.1），PVE为12.72%，共定位到OsCAD2。20个QTL中11个与已知基因共定位，其余可能代表新的控制水稻产量构成因素的基因组区域。

（三）候选基因鉴定与单倍型分析

单株籽粒产量：在qGY9.2（17.1—17.5 Mb）区间内34个注释基因中，LOC_Os09g28230（GID1L2）因包含非同义变异、与外源赤霉素受体功能相关、单倍型间GY存在显著差异并在穗部表达（花后7天表达值为2.96781）而被优先筛选。三个主要单倍型中，HapA在两年中均表现出显著高于HapB和HapC的GY值。

结实率：在qSSR5.1（5.2—5.6 Mb）区间内25个注释基因中，LOC_Os05g09500（胞质己糖激酶）因参与糖代谢和生殖发育且包含功能相关序列变异而被优先筛选。三个单倍型中，HapA在两年中均具有显著较高的SSR值，该基因在穗部（花后7天表达值4.88352）和发育种子中均有表达。

株高：在qPH3.1（3.1—3.5 Mb）区间内33个注释基因中，LOC_Os03g06930（OsBLH6）因编码转录因子、可能参与植物发育且具有信息丰富的序列变异而被优先筛选。两个单倍型中，HapA在两年中的PH均显著高于HapB（相差约18—19 cm），该基因在35天苗期茎秆组织中表达（表达值5.83138）。

千粒重：在qTGW2.1（4.5—4.9 Mb）区间内55个注释基因中，LOC_Os02g09170（OsSPS2）因含三个非同义变异且与碳水化合物代谢和籽粒发育相关而被优先筛选。五个单倍型间TGW存在显著差异，但单倍型排名在年份间不一致。该基因在授粉后5天发育种子中高表达（表达值10.36170）。

五、讨论与结论

讨论部分指出，20个QTL中11个与已报道基因共定位，如qGY1.1与LOGL1、qGY7.1与Ghd7和NAL8、qGY9.1与MOG1、qPH1.1与D2和OsRDR3、qPH1.2与SLRL1、qPH1.3与Os1BGlu4、qPH3.2与OsINO80、qTGW2.1与OsCAD2，这些共定位为关联信号的可靠性提供了独立支持。候选基因优先筛选策略整合了基因组位置、功能注释、编码变异、单倍型-表型关联和公共表达证据。对于4个优先候选基因，研究进一步探讨了其可能的生物学机制：GID1L2可能作为GA受体参与生长和代谢调控，并与生长素信号通路存在交叉；OsHXK7通过糖感知和碳氮代谢协调影响颖花育性和籽粒灌浆；OsBLH6可能通过与OsMYB55/61等转录因子协同调控次生细胞壁合成，影响茎秆支持能力和株高；OsSPS2通过提高蔗糖合成能力，为籽粒灌浆提供更多碳骨架和能量，从而影响千粒重。研究的局限性在于仅为一个地点两个年份环境的表型评价，无法全面评估基因型×环境互作和环境稳定性，需进一步多环境验证和正式QTL×环境互作分析。未来需通过基因编辑、转基因互补和表达分析等功能验证手段确认候选基因的因果作用。

研究结论：利用265份水稻种质和4,454,137个高质量SNP进行全基因组关联分析，研究了GY、SSR、PH和TGW四个重要产量相关性状的遗传基础。共鉴定20个显著QTL，其中11个与已报道的水稻产量相关基因/QTL共定位，支持了关联信号的可靠性。通过候选基因注释、序列变异、单倍型分析和表达证据的整合分析，优先筛选了4个候选基因：LOC_Os09g28230（GID1L2）作为GY的候选基因，LOC_Os05g09500作为SSR的候选基因，LOC_Os03g06930作为PH的候选基因，LOC_Os02g09170作为TGW的候选基因。不同单倍型间的显著表型差异表明这些基因组区域内的自然等位变异可能有助于水稻产量相关性状的表型多样性。这些发现为理解水稻产量相关性状的遗传基础提供了有价值的遗传资源，并可能为未来验证和MAS及分子育种提供有前景的候选靶标。但由于本研究仅基于一个地点的两个年份环境，在推断所鉴定位点的环境稳定性或广泛育种适应性之前，仍需额外的多环境试验和正式的QTL×环境互作分析。此外，还需要通过基因表达分析、基因编辑和转基因方法进行功能验证，以阐明这些关联的分子机制，并确定这些候选基因能否有效应用于水稻改良计划。