《Plants》：MPK3 as a Signalling Hub in Plants: Integrating Plant Growth, Development and Stress Response
Fan Gao,
Xiushan Qi,
Huihui Guo,
Weijie Wang,
Fengxin Liu,
Xiangyue Zeng,
Boyue Song,
Lei Cheng,
Yupeng Fan and
Fanchang Zeng
编辑推荐：
本文通过对四对近等基因系(NILs)在正常供水和干旱胁迫下的表型分析，并结合90K SNP芯片的基因型-表型关联分析，成功定位了与小麦(Triticum aestivum L.)染色体4A上产量相关QTL qDT.4A.1紧密连锁的SNP标记Kukri_c27037_112，并鉴定出四个与干旱响应相关的候选基因。研究揭示了这些基因可能通过内质网蛋白加工和MAPK信号通路等机制调控小麦籽粒发育与抗旱性，为利用标记辅助选择和基因功能研究培育抗旱小麦品种提供了宝贵的遗传资源。
小麦染色体4A抗旱产量相关QTL qDT.4A.1的精细定位：SNP标记与候选基因鉴定
1. 引言
小麦是全球重要的粮食作物，但其生产常受干旱胁迫影响。小麦染色体4A含有多个与耐旱性和产量性状相关的数量性状位点，是遗传改良的重要靶区。本研究旨在利用快速世代循环系统(FGCS)构建携带主效产量QTL qDT.4A.1的近等基因系，在干旱和对照条件下评估其籽粒产量和千粒重，通过基因型-表型关联分析鉴定与耐旱性相关的SNP标记和候选基因，并利用生物信息学方法探究其潜在功能，以期为小麦耐旱育种提供遗传资源和理论依据。
2. 结果
2.1. 近等基因系在正常供水和干旱条件下的表现
在正常供水和干旱胁迫下，不同NIL对的籽粒产量和千粒重存在显著差异。?1) of near-isogenic lines under well-watered (a), and drought-stressed conditions (b) and thousand-grain weight (g) of near-isogenic lines under well-watered (c), and drought-stressed conditions (d). ns = not significant at p ≤ 0.05; * = significant at p ≤ 0.05; ** = significant at p ≤ 0.01.">总体上，携带目标QTL的耐旱株系在两种条件下均一致地比不携带该QTL的感旱株系表现更优。统计分析显示，基因型和环境对产量均有显著影响，且存在显著的基因型 × 环境互作。相比之下，千粒重的基因型 × 环境互作不显著。简单效应分析表明，在干旱胁迫下，基因型对产量的效应量（ηp2= 0.713）远高于对照条件（ηp2= 0.393），表明目标QTL在胁迫下的效应被放大。
2.2. 目标QTL区域的SNP标记
在覆盖染色体4A的8274个SNP中，有6个SNP标记在至少两对NIL中表现出稳定的基因型-表型关联。其中，SNP标记Kukri_c27037_112（位于529 Mb）与目标产量QTL qDT.4A.1（位于515.8 Mb）距离最近，且在NIL对中表现出100%的基因型-表型匹配，因此被选作后续分析的焦点标记。
2.3. 鉴定的候选基因
在SNP标记Kukri_c27037_112上下游各1 Mb的区间内，共鉴定出40个推定候选基因，其中4个与耐旱性状密切相关：
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TraesCS4A03G0594200：编码RING-finger E3泛素连接酶，参与泛素-蛋白转移酶活性及蛋白、锌离子等结合。
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TraesCS4A03G0595000：编码富含半胱氨酸的受体样蛋白激酶，具有蛋白激酶、丝氨酸/苏氨酸激酶活性及ATP结合功能。
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TraesCS4A03G0595300：编码蛋白激酶家族蛋白，参与蛋白激酶活性及ATP、ADP结合。
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TraesCS4A03G0596000：编码受体激酶1，具有蛋白激酶活性及ATP结合功能。
通过KEGG通路富集分析发现，这些候选基因与“内质网中的蛋白加工”和“MAPK信号通路”这两个与干旱响应相关的重要通路有关。
2.4. 生物信息学基因表达分析
利用WheatOmics数据库对耐旱品种Atay85和感旱品种Zubkov在根、叶、籽粒组织中的基因表达进行分析。结果显示，在干旱条件下，候选基因TraesCS4A03G0594200、TraesCS4A03G0595300和TraesCS4A03G0596000在耐旱品种的籽粒中表达上调；TraesCS4A03G0595000在根和叶中的表达增加，在籽粒中保持相对稳定。值得注意的是，在干旱胁迫下，籽粒组织中耐旱与感旱品种间的基因表达相对差异最为明显，尤其是TraesCS44A03G0595000和TraesCS4A03G0596000，提示它们在干旱胁迫下的籽粒发育中可能发挥重要作用。
3. 讨论
本研究证实，位于染色体4A的QTL qDT.4A.1是一个对小麦干旱适应性产量具有主效贡献的位点。利用NIL材料和90K SNP芯片进行基因型-表型关联分析，成功鉴定出紧密连锁的SNP标记Kukri_c27037_112及四个推定候选基因。这些基因分别编码E3泛素连接酶、受体激酶和蛋白激酶，它们可能通过协同作用响应干旱胁迫：受体激酶（如TraesCS4A03G0595000和TraesCS4A03G0596000）作为胁迫传感器启动信号传导，蛋白激酶（如TraesCS4A03G0595300）传递信号，而E3泛素连接酶（如TraesCS4A03G0594200）则通过泛素化修饰调控下游蛋白稳定性，最终共同影响籽粒发育和产量形成。通路分析进一步支持了它们通过MAPK信号通路和内质网蛋白加工通路参与干旱响应的潜在机制。本研究的发现为深入理解小麦耐旱遗传机制、开发用于标记辅助选择的实用SNP标记以及后续的基因功能验证和精细定位奠定了基础。
4. 材料与方法
研究使用了来自Babax（耐旱）和Dharwar Dry（感旱）杂交后代、靶向染色体4A产量QTL qDT.4A.1的四对NILs。NILs通过结合异质自交系法和基于胚培养的快速世代循环系统培育。表型鉴定在控温玻璃温室进行，设置正常供水和开花期持续7天的干旱胁迫两种处理，测定籽粒产量和千粒重。利用90K Illumina SNP芯片对NILs进行基因分型，通过严格的过滤标准筛选出与表型差异稳定关联的SNP标记。利用Triticeae Toolbox、GrainGenes、EnsemblPlants、NCBI、WheatOmics等数据库进行候选基因鉴定、注释和生物信息学分析，包括基因表达分析和蛋白互作网络预测。
5. 结论
本研究通过整合NILs表型鉴定、高通量SNP基因分型及生物信息学分析，成功将小麦染色体4A上的重要产量QTL qDT.4A.1与SNP标记Kukri_c27037_112及四个推定候选基因联系起来。这些候选基因在干旱胁迫下，特别是在籽粒组织中表达差异显著，且与内质网蛋白加工和MAPK信号通路相关，表明它们可能通过调控籽粒发育来增强小麦的干旱适应性。尽管取得了这些进展，但所鉴定的SNP标记和候选基因仍需在不同遗传背景和环境条件下进行验证，其确切的分子功能也有待通过转录组学、蛋白组学、基因编辑等进一步的功能研究来阐明。本研究为小麦耐旱性的遗传解析和分子育种提供了有价值的基因组资源和见解。
