2024-01-24
近期，華中農業大學植物科學技術學院在植物科學領域《Frontiers in Plant Science》發表新研究成果！本研究結合GWAS分析和轉錄組分析，挖掘出可能參與調控水稻葉綠素含量和葉綠素熒光的候選基因。本研究為水稻葉綠素含量與熒光參數的相關性及其遺傳機制提供了新的見解，并為培育具有高光合效率的水稻提供了寶貴的信息。
本研究的GWAS測序分析、轉錄組測序分析均由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
PART·1、研究背景 光合作用是影響水稻生物量積累和收獲指數的最關鍵過程，也是決定水稻產量的關鍵因素。光合能量的合理分配可以提高作物光能利用效率，目前已經鑒定出了一些與葉綠素含量、熒光參數和光合作用相關的功能基因，但是遂于這些性狀的遺傳基礎和關系還缺乏全面有效的分析。本研究對水稻的葉綠素含量(SPAD)和8個熒光參數進行GWAS分析，鑒定了78個與葉綠素熒光特性相關的SNP。并結合轉錄組分析，鑒定出兩個與水稻葉綠素熒光特性相關的候選基因（Os03g0583000和Os06g0587200）。為水稻葉綠素熒光特性和光合作用的表型篩選、基因功能驗證、遺傳機制解剖等方面的研究奠定了基礎。
PART·2、研究材料與方法 實驗材料：225份水稻 測序平臺：Illumina 分析內容：GWAS分析、候選基因表達分析、差異基因表達與功能富集分析等
PART·3、研究結果 1.群體遺傳結構 PCA分析將群體分為4個類群，與系統發育樹和Admixture分析的結果一致。圖1C顯示了整個基因組的平均連鎖不平衡( LD )衰減。群體遺傳結構分析表明，這些材料可分為4個類群，彼此之間存在一定的遺傳差異。 圖1 225份水稻材料的種群結構 2.葉綠素熒光特性的表型分析 對225份水稻材料的葉綠素含量(SPAD)和8個熒光參數(NPQt、ΦII、ΦNO、ΦNPQ、LEF、Fv/Fm、qL和qP)進行測量及統計分析。箱形圖顯示了PCA劃分的4個類群間熒光參數的差異，其中NPQt (P = 0.025)、ΦNPQ (P = 0.035)、SPAD (P = 6.7×10-9)和Fv/Fm (P = 0.027)在不同PCA類群間表現出顯著差異，表明不同種群間SPAD、NPQt、ΦNPQ和Fv/Fm的表型差異受遺傳背景的影響。通過計算皮爾遜相關系數分析不同熒光特性之間的關系，結果表明SPAD、NPQt和LEF受遺傳因素的影響較大。 圖2 225份水稻材料中葉綠素熒光特性的表型差異 圖3 225份水稻材料的葉綠素熒光特性的表型分析 3.GWAS分析 對225份水稻材料的葉綠素熒光特性進行GWAS分析，鑒定出31個顯著關聯區間。這些區間包括78個與SPAD、NPQt、ΦII、ΦNPQ、qL和qP相關的SNP。此外，在ΦII和ΦNPQ之間以及qL和qP之間存在明顯的共定位。通過對LD區域基因的功能分析，共鑒定出17個與葉綠素熒光特性相關的候選基因。 圖4 葉綠素熒光特性GWAS的曼哈頓圖和QQ圖 4.葉綠素熒光特性差異顯著的兩個水稻品種的轉錄組分析 為進一步探究水稻葉綠素熒光特性的遺傳基礎，從群體中挑選ΦII和SPAD差異顯著的2個水稻品種D062(高ΦII型, H)和D133(低ΦII型, L)進行轉錄組分析。2個品種(H和L)之間鑒定到2366個差異表達基因，包括1434個上調基因和932個下調基因。聚類分析結果表明，H型和L型在組內均具有較好的相關性，表明不同組的DEGs可能與某些生物過程、代謝和信號通路存在特定的聯系。 對2366個DEGs進行GO富集分析，并根據分子功能(MF)、生物過程(BP)和細胞組分(CC)對DEGs進行分類。富集到MF前5個GO條目中的DEGs很可能參與了一系列激酶活性、核苷酸結合和磷酸化所必需的生化反應。富集到BP前5個GO條目中的DEGs可能在細胞信號傳導、對環境刺激的反應和代謝過程中具有重要功能。富集到CC前5個GO條目中的DEGs可能參與多種細胞膜相關功能。對DEGs的進一步研究表明，它們可能參與調控水稻的光合性能，包括NPQt、ΦII和SPAD。 圖5 不同品種中差異表達基因（DEGs）的轉錄組分析 圖6 差異表達基因（DEGs）的聚類分析(H vs. L) 5.與葉綠素熒光特性相關的候選基因挖掘 結合GWAS分析和轉錄組分析，發現候選基因Os03g0583000和Os06g0587200在兩個水稻品種中的表達水平表現出顯著差異。Blast2GO注釋發現Os03g0583000為過氧化物酶體蛋白，Os06g0587200為含有催化結構域的蛋白激酶。 Os03g0583000啟動子上的6個SNP形成了兩種單倍型。單倍型1的自交系的ΦII和qP值顯著低于單倍型2的自交系，而SPAD值顯著高于單倍型2的自交系。轉錄組分析表明Os03g0583000最有可能是ΦII和qP的候選基因，Os06g0587200最有可能是NPQt的候選基因。 表1 整合GWAS和轉錄組數據發現候選基因 圖7 03號和06號染色體上與ΦII、qP和NPQt相關的候選基因 0
PART·4、結 論 本研究結合GWAS分析和轉錄組分析，發現2個候選基因(與ΦII和qP性狀相關的Os03g0583000，與NPQt性狀相關的Os06g0587200)分別與過氧化物酶體和蛋白激酶催化結構域相關，參與調控葉綠素含量和熒光。本研究為水稻葉綠素含量與熒光參數的相關性及其遺傳機制提供了新的見解，并為提高光合效率的水稻育種提供了有價值的信息。
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文章索引：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.
