《Genes》：Genetic Analysis, Transcriptome Analysis, and Candidate Major Genes Screening of Peduncle Length Trait in Brewing Sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench]
Jinghua Li,
Zunyan Hu,
Zhiyong Hao,
Bangsheng Sun,
Zhouchen Ye and
Guangdong Yang
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本研究聚焦高粱机械化生产的关键障碍——穗轴长度(PL)的遗传调控机制尚不明确的问题，研究者利用长穗轴与短穗轴亲本及其构建的F2分离群体，通过遗传分析、转录组测序(RNA-seq)与BSA-seq关联分析相结合的方法，系统鉴定了高粱穗轴长度的遗传模型，挖掘出4个与PL性状强相关的候选主效基因。该工作为培育适宜机械化收获的高粱品种及理解禾本科作物PL性状的遗传基础提供了重要的基因资源和理论参考。
高粱，作为全球第五大粮食作物，在酿造和饲料领域扮演着重要角色。随着农业现代化的发展，适合机械化种植与收获的作物品种需求日益迫切。高粱的机械化收获效率与其“脖颈”——穗轴的长度紧密相关。穗轴是连接茎秆与穗部的关键部位，其长度过短易导致收获损失，过长则增加倒伏风险。然而，控制穗轴长度的“基因密码”是什么？其背后的遗传机制又是什么？长久以来，针对高粱穗轴长度的系统性遗传研究和关键基因挖掘仍不充分，这成为培育理想株型高粱品种的瓶颈。为了破解这一难题，研究人员开展了一项深入研究，相关成果发表在学术期刊《Genes》上。
为了探索这一性状的奥秘，研究者精选了长穗轴品系KY133B（母本M）与短穗轴品系KY123B（父本F）作为实验材料，并成功构建了包含339个个体的F2分离群体。他们运用了几项关键技术：首先，对F2群体进行表型调查和经典的遗传模型分析，以解析PL的遗传规律。其次，在穗轴伸长期采集亲本的幼穗，进行转录组测序（RNA-seq），筛选在长短穗轴亲本间差异表达的基因。更为巧妙的是，研究者将前期通过混池分组分析法（BSA-seq）初步定位到的基因组区间，与本次转录组得到的差异表达基因（DEGs）进行联合分析，从而快速缩小候选基因范围。最后，通过实时荧光定量PCR（qPCR）对核心候选基因的表达模式进行验证，确保了结果的可靠性。
3.1. 穗轴长度性状的遗传分析
研究人员测量了F2群体的穗轴长度，发现其表型呈连续的正态分布，证实其为数量性状。通过遗传模型拟合分析，确定最优模型为2MG-AD，即两对加性-显性主效基因模型，其遗传力高达69.638%。这表明高粱穗轴长度可能由两对具有加性和显性效应的主效基因控制，且以加性效应为主。相关性分析还发现，穗轴长度与株高、茎高呈极显著正相关（相关系数分别为0.81和0.83），暗示这些性状可能受共同的遗传通路调控。
3.2. 转录组分析
对长短穗轴亲本的幼穗进行RNA-seq，共鉴定出3603个差异表达基因（DEGs），其中在长穗轴亲本中上调表达2204个，下调表达1399个。GO（基因本体论）功能富集分析显示，上调基因显著富集于膜组分相关功能，而下调基因则富集于细胞核、DNA结合等功能。KEGG（京都基因与基因组百科全书）通路分析表明，上调基因主要参与苯丙烷类生物合成、氨基糖代谢等代谢途径，而下调基因则显著富集于碱基切除修复、DNA复制等遗传信息处理通路，并且植物激素信号转导通路也包含较多下调基因。
3.3. RNA-seq与BSA-seq联合分析预测候选基因
研究者将前期BSA-seq初步定位到的1161个基因与本次RNA-seq获得的3603个DEGs取交集，得到148个共定位基因。对这些基因进行GO和KEGG功能注释，发现它们广泛参与代谢、遗传信息处理、信号转导等生物学过程。为筛选出表达差异最显著的候选者，研究者采用了更严格的标准（|Log2FC| ≥ 5, p < 0.0001），最终锁定36个基因。通过功能注释，进一步从中鉴定出四个与穗轴长度性状强相关的候选主效基因：
- 1.
LOC8056900：编码MIZU-KUSSEI 1蛋白，可能与向水性（hydrotropism）相关，在长穗轴亲本中上调表达。
- 2.
LOC8065075：编码乙烯响应转录因子WIN1，定位于细胞核，在长穗轴亲本中上调表达。
- 3.
LOC8083493：编码GDSL酯酶/脂肪酶，具有水解酶活性，在长穗轴亲本中上调表达。
- 4.
LOC8085367：编码生长素响应蛋白IAA21，定位于细胞核，参与生长素激活的信号通路，在长穗轴亲本中下调表达。
这4个候选基因在表达热图中亦有清晰展示。
3.4. 利用qPCR分析RNA-seq数据的可靠性
为验证RNA-seq结果的可靠性，研究人员对上述四个候选基因进行了qPCR验证。结果与转录组数据高度一致：在长穗轴亲本中，LOC8056900、LOC8065075和LOC8083493的表达量显著上调，而LOC8085367的表达量显著下调，从而证实了转录组数据的可靠性。
结论与讨论
本研究的综合信息为理解高粱穗轴长度的分子机制提供了重要参考，并为后续的基因功能验证和机制分析奠定了基础。遗传分析表明，高粱穗轴长度可能由两对具有加性-显性效应的主效基因控制，遗传力较高，这对于通过分子标记辅助选择进行精准育种具有重要意义。转录组与BSA-seq的联合分析策略，高效地从全基因组层面筛选出与性状关联的关键候选基因。最终鉴定出的四个候选基因——LOC8056900 (MIZ1)、LOC8065075 (WIN1)、LOC8083493 (GDSL酯酶/脂肪酶) 和 LOC8085367 (IAA21)，分别涉及植物对环境的响应、乙烯信号转导、脂质代谢以及生长素信号通路。这些发现暗示，高粱穗轴长度的调控可能是一个由激素信号、转录调控和环境响应共同参与的复杂网络。例如，乙烯和生长素是调控植物生长发育的核心激素，而MIZ1蛋白与植物对水分的向性反应有关，GDSL脂肪酶则可能通过调节激素代谢来影响细胞伸长。这项研究不仅为培育抗倒伏、适宜机械化收获的高粱新品种提供了直接的基因靶点，也为禾本科作物类似性状的遗传改良研究提供了可借鉴的方法和思路。
