《Food and Energy Security》：Genome-Wide Association Study and RNA Sequencing Identify Candidate Genes Regulating Nitrogen Use Efficiency and Associated Traits in Sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench)
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本综述通过全基因组关联研究（GWAS）与转录组测序（RNA-Seq）整合分析，系统解析了高粱氮利用效率（NUE）的遗传基础。研究在3种氮水平（0%、50%、100%推荐剂量90 kg ha?1）下评估了186份高粱种质的15个农艺生理性状，鉴定出1369个标记-性状关联（MTAs）和69个氮代谢相关候选基因（如谷氨酰胺合成酶GS、硝酸盐转运蛋白）。转录组分析进一步筛选出2229个（地上部）和8661个（根部）差异表达基因（DEGs）。通过多组学整合鉴定出10个核心调控基因（如NIN类蛋白NLP、AP2/ERF转录因子），并揭示了主要禾谷类作物中同源基因群的进化关系。本研究为高粱氮高效分子育种提供了关键基因资源和理论依据。
引言
高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）作为全球第五大禾谷类作物，具有强大的环境适应性和C4光合作用效率。氮利用效率（NUE）是影响作物产量和农业可持续性的关键因素。目前植物对施入氮肥的利用率仅30%–40%，其余通过挥发、淋溶等方式损失，不仅造成经济损失还引发环境问题。培育氮高效品种是减少氮肥用量的有效策略。NUE包含氮吸收效率（NUpE）和氮利用效率（NUtE）两个组分，其遗传调控机制复杂。本研究通过多组学整合策略，旨在解析高粱氮效率的生理遗传基础。
结果
氮水平对高粱表型性状的影响
在0%（N0）、50%（N50）和100%（N100）三个氮水平下，186份高粱种质表现出显著的性状变异。叶绿素含量（CC）和叶面积（LA）随氮水平增加而升高，叶片数（LN）在N0至N50处理间降低后于N100回升。株高（PH）和分蘖数（NT）随氮水平增加显著提升。产量相关性状中，穗数（PN）和穗重（PW）在N100下最高，籽粒产量（GY）在N50下较N0增加9%（2018–19季节）。干秸秆产量（DSY）与GY呈负相关，而收获指数（HI）与GY、PW正相关。籽粒氮含量（GN）在N0至N50下下降，秸秆氮含量（SN）随氮水平增加而升高。
群体结构与多样性分析
基于22,439个SNPs的群体结构分析将186份种质划分为5个亚群（K=5），系统发育树进一步支持该分组结果，表明材料具有广泛的遗传多样性。
高低氮效率种质筛选
基于低氮（N0）下籽粒产量，筛选出20个高氮效率种质（如IS15443、ICSV745）和20个低氮效率种质（如Phule Chitra、HDW703）。其中9个高氮效率种质在三种氮水平下均表现稳定高产，为后续转录组分析提供了理想材料。
全基因组关联分析
GWAS共检测到1369个显著标记-性状关联（MTAs），分布于所有10条染色体。例如，叶绿素含量相关SNPs位于1、6、8和9号染色体；穗重相关SNPs在3、4、6和10号染色体富集。通过基因注释鉴定出69个候选基因，包括硝酸盐转运蛋白（S1_53455913）、ABC转运蛋白（Sobic.007G095100）、脱水素（S3_60686805）等，涉及氮吸收、转运、同化及抗逆响应。
转录组分析
对高低氮效率种质（ICSV745 vs. HDW703）进行根和地上部转录组测序，在16个文库中鉴定出10,800个DEGs。根部DEGs数量（8661个）显著高于地上部（2229个），表明根系在氮响应中起核心作用。差异表达基因富集于器官磷酸代谢、细胞壁组成、异构酶活性等GO条目，通路分析显示次级代谢物生物合成和代谢通路最为富集。
多组学整合与候选基因验证
整合GWAS和RNA-Seq数据，发现105个共有的候选基因。其中10个基因为氮效率调控的核心候选者，包括：F-box蛋白（Sobic.002G106200）调控氮转运蛋白降解；ABC转运蛋白（Sobic.003G216300）参与硝酸盐转运；NIN类蛋白（Sobic.004G269900）主导氮信号传导；SWEET糖转运蛋白（Sobic.004G133500）连接碳氮代谢；氨基酸通道蛋白（Sobic.005G052500）介导氮分配；谷氨酰胺合成酶（Sobic.006G045400）催化铵同化；葡萄糖-1-磷酸腺苷酰转移酶（Sobic.007G101500）调控淀粉合成；磷酸果糖激酶（Sobic.007G101800）影响糖酵解；AP2/ERF转录因子（Sobic.009G111200）调控硝酸盐应答网络。
跨物种同源基因比较
与水稻、小麦、玉米等作物进行同源比对，发现35个互惠最佳匹配基因对和38个直系同源基因对，表明氮效率相关基因在禾谷类作物中具有进化保守性。28个高粱特有基因可能反映物种特异性适应。
讨论
本研究系统解析了高粱氮效率的遗传架构，发现氮水平对农艺性状的影响具有基因型特异性。GWAS定位的候选基因多富集于氮转运（NRT、AMT）、同化（GS、NR）及转录调控（NLP、WRKY）通路。转录组数据进一步揭示高低氮效率种质在氮响应早期（30 min vs. 6 h）即出现显著表达差异，特别是根系基因表达重编程。多组学整合鉴定的核心基因如NLP、AP2/ERF等，通过调控硝酸盐信号转导和碳氮平衡共同影响氮效率。这些基因为高粱及同类作物的氮高效育种提供了分子靶标。
材料与方法
研究采用186份高粱种质，在两年三点（N0、N50、N100）进行表型鉴定。GBS基因分型获得22,439个高质量SNPs，利用SUPER模型进行GWAS分析。转录组测序对高低氮效率种质的根和地上部样本（氮处理30 min和6 h）进行RNA-Seq，通过DESeq2鉴定DEGs。候选基因通过基因组注释、GO富集和同源比对进行功能预测。
结论
本研究通过多组学整合策略，揭示了高粱氮效率的遗传基础和分子调控网络，鉴定出一批具有育种应用价值的关键基因。这些资源为高粱氮高效品种的分子选育提供了理论支持和基因资源，对可持续农业发展具有重要意义。
