水稻秸秆性状遗传变异全基因组关联分析及其对生物质产量的调控机制研究

《Plant Direct》：Analysis of Genetic Variation of Rice Straw Characteristics and Its Influence on Biomass

本文通过全基因组关联研究(GWAS)系统解析了水稻秸秆形态性状的遗传基础，鉴定出21个与生物质产量相关的候选基因，包括细胞骨架蛋白、细胞壁合成酶和转录因子(WRKY、ERF、MYB)等关键调控因子。研究发现第3节间干重(0.57)和穗干重(0.64)与生物量呈显著正相关，为水稻抗倒伏育种和生物能源开发提供了重要靶点。

　　

材料与方法

研究选用149份水稻种质，在完全随机区组设计中测量32个秸秆形态性状。利用34,232个高质量SNP标记，采用FarmCPU模型进行GWAS分析，显著性阈值设定为-log₁₀(p)≥4。通过SNPEff进行基因注释，利用PlantTFDB和PLACE数据库分析转录因子和顺式作用元件。

结果

3.1 表型变异

26个性状表现出显著变异，第4节间干重量变异系数最高(CV=85%)。茎秆形态性状具有高遗传力(H²_b=0.97)，表明遗传因素对生物量形成起主导作用。

3.3 GWAS分析

共检测到173个显著SNP，定位到64个QTL区间。其中21个候选基因被归为五类功能群：细胞骨架与运输蛋白(如肌动蛋白ACTIN)、生长发育调控因子(如赤霉素受体)、细胞壁合成酶(如纤维素合酶样蛋白CSL)、细胞壁修饰蛋白(如扩张蛋白EXPANSIN)和调控基因(包括WRKY、ERF、MYB三类主要转录因子)。

3.4 上位性分析

发现110个显著的上位性互作，其中LOC_Os12g25200(氯离子通道蛋白)与LOC_Os01g72990(蛋白激酶)存在9次互作。单倍型分析鉴定出7个单倍型群，其中H003单倍型对第3节间厚度具有显著增效效应。

3.5 候选基因鉴定

关键基因包括：

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  细胞壁相关激酶WAK53a：调控茎秆强度
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  纤维素合酶样基因CslA5：参与(1,3;1,4)-β-D-葡聚糖合成
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  锌指蛋白OsZHD1：影响泡状细胞分布和节间细胞数量
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  果胶甲酯酶PE：调节细胞壁塑性

讨论

本研究首次系统揭示水稻秸秆形态建成的遗传网络。鉴定的候选基因为分子育种提供了靶点，其中细胞壁合成相关基因的等位变异可用于协调生物产量与抗倒伏性的平衡。建议后续通过基因编辑验证OsMYB58/63等基因对纤维素合成酶OsCesA7的调控作用，为能源水稻设计提供新策略。