2024-01-24
近期(qi)，華中農業大學(xue)植物(wu)科學(xue)技術學(xue)院(yuan)在植物(wu)科學(xue)領(ling)域《Frontiers in Plant Science》發表新研究(jiu)成(cheng)果！本(ben)研究(jiu)結合GWAS分(fen)析(xi)和(he)轉錄組分(fen)析(xi)，挖掘出可能(neng)參(can)與調控水(shui)稻(dao)葉(xie)綠素(su)含(han)量(liang)和(he)葉(xie)綠素(su)熒光的(de)候選基(ji)因(yin)。本(ben)研究(jiu)為水(shui)稻(dao)葉(xie)綠素(su)含(han)量(liang)與熒光參(can)數(shu)的(de)相關性(xing)及其遺傳(chuan)機制(zhi)提(ti)供(gong)了新的(de)見解，并為培育(yu)具有(you)高(gao)光合效率的(de)水(shui)稻(dao)提(ti)供(gong)了寶貴的(de)信息。
本研究(jiu)的GWAS測(ce)序分(fen)析、轉錄組測(ce)序分(fen)析均由上(shang)海派森諾生物(wu)科(ke)技股份有(you)限(xian)公司完成。
PART·1、研究(jiu)背景(jing) 光(guang)合(he)(he)作用是(shi)影響水稻(dao)生物量(liang)積(ji)累和(he)收(shou)獲指數的(de)(de)(de)(de)最關(guan)(guan)(guan)鍵(jian)過程，也是(shi)決定水稻(dao)產量(liang)的(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)(su)。光(guang)合(he)(he)能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)合(he)(he)理分(fen)(fen)配可以提高作物光(guang)能(neng)利用效(xiao)率，目前已經鑒定出了一些與葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)素(su)(su)含量(liang)、熒(ying)(ying)光(guang)參(can)數和(he)光(guang)合(he)(he)作用相(xiang)關(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)功(gong)能(neng)基(ji)因(yin)，但是(shi)遂于這些性狀的(de)(de)(de)(de)遺傳基(ji)礎和(he)關(guan)(guan)(guan)系還缺(que)乏(fa)全(quan)面(mian)有效(xiao)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)析。本研究(jiu)對水稻(dao)的(de)(de)(de)(de)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)素(su)(su)含量(liang)(SPAD)和(he)8個熒(ying)(ying)光(guang)參(can)數進行(xing)GWAS分(fen)(fen)析，鑒定了78個與葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)素(su)(su)熒(ying)(ying)光(guang)特性相(xiang)關(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)SNP。并結(jie)合(he)(he)轉錄組分(fen)(fen)析，鑒定出兩個與水稻(dao)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)素(su)(su)熒(ying)(ying)光(guang)特性相(xiang)關(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)候選基(ji)因(yin)（Os03g0583000和(he)Os06g0587200）。為水稻(dao)葉(xie)(xie)(xie)綠(lv)素(su)(su)熒(ying)(ying)光(guang)特性和(he)光(guang)合(he)(he)作用的(de)(de)(de)(de)表型(xing)篩選、基(ji)因(yin)功(gong)能(neng)驗證(zheng)、遺傳機制解(jie)剖(pou)等方面(mian)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)奠定了基(ji)礎。
PART·2、研究材料與方法(fa) 實驗材料：225份(fen)水稻 測序(xu)平臺(tai)：Illumina 分(fen)析(xi)內容：GWAS分析(xi)(xi)、候選基因表(biao)達(da)分析(xi)(xi)、差異基因表(biao)達(da)與(yu)功能(neng)富集(ji)分析(xi)(xi)等
PART·3、研究結果 1.群體遺傳結構 PCA分析(xi)將群體分為(wei)(wei)4個(ge)類(lei)群，與系統發育(yu)樹和Admixture分析(xi)的結果(guo)一(yi)致。圖(tu)1C顯示了(le)整個(ge)基因組的平(ping)(ping)均連鎖不平(ping)(ping)衡( LD )衰減(jian)。群體遺傳結構分析(xi)表(biao)明(ming)，這些材料(liao)可分為(wei)(wei)4個(ge)類(lei)群，彼(bi)此之間存在一(yi)定的遺傳差異。 圖1 225份水稻材料(liao)的種(zhong)群結(jie)構 2.葉綠素熒光特(te)性的表(biao)型(xing)分(fen)析(xi) 對225份水稻材料的(de)(de)葉綠素含量(SPAD)和8個(ge)熒光(guang)(guang)參數(NPQt、ΦII、ΦNO、ΦNPQ、LEF、Fv/Fm、qL和qP)進行測量及統計(ji)分(fen)析。箱形圖(tu)顯示了(le)PCA劃分(fen)的(de)(de)4個(ge)類(lei)(lei)群間熒光(guang)(guang)參數的(de)(de)差(cha)(cha)異，其中(zhong)NPQt (P = 0.025)、ΦNPQ (P = 0.035)、SPAD (P = 6.7×10-9)和Fv/Fm (P = 0.027)在不(bu)(bu)同PCA類(lei)(lei)群間表(biao)現出顯著差(cha)(cha)異，表(biao)明(ming)(ming)不(bu)(bu)同種群間SPAD、NPQt、ΦNPQ和Fv/Fm的(de)(de)表(biao)型(xing)差(cha)(cha)異受遺傳(chuan)背景的(de)(de)影響。通過計(ji)算(suan)皮爾遜相關系數分(fen)析不(bu)(bu)同熒光(guang)(guang)特性之間的(de)(de)關系，結(jie)果表(biao)明(ming)(ming)SPAD、NPQt和LEF受遺傳(chuan)因素的(de)(de)影響較大。 圖2 225份水稻材料中葉綠素熒(ying)光特性(xing)的表型(xing)差異 圖3 225份水稻(dao)材料的葉(xie)綠素熒光特性的表型分(fen)析 3.GWAS分析 對225份水稻材料的(de)葉綠素(su)熒(ying)光特性進(jin)行GWAS分(fen)析，鑒(jian)定(ding)出31個顯著關(guan)聯區間(jian)。這些(xie)區間(jian)包括78個與(yu)SPAD、NPQt、ΦII、ΦNPQ、qL和(he)qP相關(guan)的(de)SNP。此外，在ΦII和(he)ΦNPQ之(zhi)間(jian)以及qL和(he)qP之(zhi)間(jian)存在明顯的(de)共定(ding)位。通過對LD區域基(ji)因的(de)功能分(fen)析，共鑒(jian)定(ding)出17個與(yu)葉綠素(su)熒(ying)光特性相關(guan)的(de)候選基(ji)因。 圖4 葉(xie)綠(lv)素熒光(guang)特(te)性GWAS的曼哈頓圖和QQ圖 4.葉(xie)綠(lv)素熒光特性差異顯著(zhu)的兩個水(shui)稻(dao)品種的轉(zhuan)錄組分析 為進(jin)一步探究水稻葉(xie)綠素熒(ying)光特(te)性的(de)遺傳基(ji)(ji)礎(chu)，從群體(ti)中挑(tiao)選(xuan)ΦII和(he)(he)(he)SPAD差異(yi)顯(xian)著的(de)2個水稻品種(zhong)D062(高(gao)ΦII型(xing)(xing), H)和(he)(he)(he)D133(低ΦII型(xing)(xing), L)進(jin)行轉錄組(zu)分析。2個品種(zhong)(H和(he)(he)(he)L)之間(jian)鑒定到2366個差異(yi)表(biao)達基(ji)(ji)因，包括1434個上調基(ji)(ji)因和(he)(he)(he)932個下調基(ji)(ji)因。聚類分析結果表(biao)明，H型(xing)(xing)和(he)(he)(he)L型(xing)(xing)在組(zu)內均具有較好(hao)的(de)相關性，表(biao)明不同組(zu)的(de)DEGs可能與某些生物過程、代謝和(he)(he)(he)信號通(tong)路存在特(te)定的(de)聯系。 對(dui)(dui)2366個(ge)DEGs進行(xing)GO富集(ji)(ji)分(fen)析，并根據分(fen)子功能(neng)(MF)、生(sheng)物過程(BP)和細胞組分(fen)(CC)對(dui)(dui)DEGs進行(xing)分(fen)類。富集(ji)(ji)到(dao)MF前(qian)(qian)(qian)5個(ge)GO條(tiao)目(mu)中的(de)(de)DEGs很可(ke)能(neng)參與(yu)了一系列激(ji)酶活性、核(he)苷酸結合(he)和磷酸化所必需的(de)(de)生(sheng)化反應。富集(ji)(ji)到(dao)BP前(qian)(qian)(qian)5個(ge)GO條(tiao)目(mu)中的(de)(de)DEGs可(ke)能(neng)在細胞信號傳導、對(dui)(dui)環境刺激(ji)的(de)(de)反應和代謝(xie)過程中具有重要功能(neng)。富集(ji)(ji)到(dao)CC前(qian)(qian)(qian)5個(ge)GO條(tiao)目(mu)中的(de)(de)DEGs可(ke)能(neng)參與(yu)多種細胞膜相(xiang)關功能(neng)。對(dui)(dui)DEGs的(de)(de)進一步研究表明，它們可(ke)能(neng)參與(yu)調控水(shui)稻的(de)(de)光合(he)性能(neng)，包括NPQt、ΦII和SPAD。 圖5 不同品種中差異(yi)表達(da)基因(yin)（DEGs）的(de)轉(zhuan)錄組分析 圖(tu)6 差異表達基因（DEGs）的聚類分析(H vs. L) 5.與(yu)葉綠素(su)熒光特性相關的候選基因挖(wa)掘(jue) 結合(he)GWAS分析(xi)和轉錄組分析(xi)，發(fa)現候選基因Os03g0583000和Os06g0587200在兩個(ge)水稻品種中的表(biao)達水平表(biao)現出(chu)顯(xian)著差異。Blast2GO注釋發(fa)現Os03g0583000為過氧化物酶體蛋白，Os06g0587200為含有催化結構域(yu)的蛋白激酶。 Os03g0583000啟動子上的(de)(de)(de)(de)(de)6個SNP形(xing)成了兩種單(dan)倍(bei)型(xing)。單(dan)倍(bei)型(xing)1的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)交(jiao)系的(de)(de)(de)(de)(de)ΦII和qP值顯著(zhu)低(di)于單(dan)倍(bei)型(xing)2的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)交(jiao)系，而SPAD值顯著(zhu)高于單(dan)倍(bei)型(xing)2的(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)交(jiao)系。轉錄組分析(xi)表明Os03g0583000最有(you)可能(neng)是(shi)ΦII和qP的(de)(de)(de)(de)(de)候(hou)選(xuan)(xuan)基因，Os06g0587200最有(you)可能(neng)是(shi)NPQt的(de)(de)(de)(de)(de)候(hou)選(xuan)(xuan)基因。 表(biao)1 整合GWAS和轉錄組(zu)數據發(fa)現候選基因 圖7 03號和06號染(ran)色體上與ΦII、qP和NPQt相關(guan)的(de)候選基(ji)因 0
PART·4、結 論 本(ben)研究(jiu)結合GWAS分(fen)析和(he)轉錄組分(fen)析，發現2個候選基因(與ΦII和(he)qP性狀相(xiang)關(guan)的Os03g0583000，與NPQt性狀相(xiang)關(guan)的Os06g0587200)分(fen)別與過氧化物酶體和(he)蛋白激酶催化結構(gou)域(yu)相(xiang)關(guan)，參與調控(kong)葉綠(lv)素(su)含量和(he)熒光。本(ben)研究(jiu)為(wei)(wei)水稻葉綠(lv)素(su)含量與熒光參數的相(xiang)關(guan)性及其遺傳機制提(ti)(ti)供(gong)了(le)新的見解(jie)，并為(wei)(wei)提(ti)(ti)高(gao)光合效率(lv)的水稻育種(zhong)提(ti)(ti)供(gong)了(le)有價值的信息。
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文章(zhang)索引：Liu S, Xiong Z, Zhang Z, et al. Exploration of chlorophyll fluorescence characteristics gene regulatory in rice (Oryza sativa L.): a genome-wide association study. Front Plant Sci. 2023: 14: 1234866.
