行业动态

GWAS、转录组

作者对21年的气象数据（种子发芽时的降水量及降水时间，以及与第二次大量降水之间的间隔）进行统计，评估珍珠小米何时面临干旱压力，并预测对作物产量的影响，结果表明，早期干旱是西非萨赫勒农业系统在营养阶段影响作物的主要制约因素。（图1A）

图1 田间条件下测量的早期主根生长及其与干旱耐受性相关特征的相关性

作者对853株珍珠小米主根进行测量，结果表明具有遗传多样的珍珠小米，主根长度也具有多样性（图1B）。

2年的田间实验，9个品种在3-6月模拟干旱，进行实验，测量根部及地上生理参数，结果表明主根的快速生长有利于珍珠小米应对发芽后的早期干旱压力（图1C~D）。

对珍珠小米自交系进行测序进行基因分型，在筛选质量后，本研究中选择了392216个SNPs，用于122个具有表型的自交系进行GWAS。分析显示，珍珠小米基因组中共有447个与主根生长相关的显著SNPs。（图2A）

为了验证GWAS分析，作者从两个具有对比早期主根生长的自交系中生成了一个双亲群体，CML-IS 11155（低初生根生长）和SL2（高初生根生长）。这两个品系之间主根生长的差异得到了证实，从而证明它们对比的主根表型是稳健的，并且独立于实验系统。

将SL2和ICML-IS 11155系进行杂交，并对737株F2植物与其亲本（33株ICML-IS 111 55和30株SL2植物）进行早期根系生长表型分析。针对每个极端表型选择75个F2植物进行测序及GWAS分析，并于之前的群体GWAS分析结果共分析，结果表明，共有18个显著的SNP。

为了确定导致两个亲本系ICML-IS 11155和SL2之间根系生长变化的细胞过程，作者使用共聚焦显微镜对从静止中心开始的根尖细胞伸长进行成像和测量（图2C）。虽然两个系的细胞生产率相似（图2D），但SL2（快速生长系）表现出明显高于ICML-IS 11155的细胞伸长率（图2E）。因此，自交系SL2（快速生长）和ICML-IS 11155（慢速生长）之间根系生长的显著差异主要是由根细胞伸长的变化引起的。

由于两个亲本系之间根系生长的差异主要是由细胞伸长引起的，作者假设这可能与根尖中表达的基因有关。因此使用RNAseq分析了近交系ICML-IS 11155（缓慢生长）和SL2（快速生长）的主根尖（2cm顶点）中的基因表达。发现1778个基因在两个对照品系之间的基因表达存在显著差异。并发现了一些在根尖中表达的基因在当前版本的珍珠小米参考基因组中没有注释。

图2 珍珠小米主根长度的遗传解剖及对比珍珠小米品系根尖分生组织和主根生长的分析

作者对1号染色体上最显著的GWAS标记-性状关联周围的1-Mbp基因组区域进行了重点分析，重新注释显示了一个新的465 bp CDS，在显著相关的SNP下游1103 bp（chr1_231264526，图3A，B）。这种新的CDS编码一种与GRXC9样蛋白具有强同源性的蛋白，并命名为PgGRXC9。

该基因座的两个等位基因都存在在群体（C或G）中，携带纯合C/C等位基因的植物（占21.3%）的根生长显著高于携带G/G纯合等位基因（占60.7%；图3C）

与携带较低生长等位基因的品系（图3D）相比，携带与较高根系生长相关的等位基因的品系的根尖中PgGRXC9的表达显著更高（图3D）。使用RNAscope技术的原位杂交显示了该基因在根尖和伸长区的中柱和表皮中的表达（图3E）。

然后作者使用RNAseq数据来搜索用于BSA的两个对照亲本系之间的多态性。在两个亲本系之间预测的基因编码序列中没有发现序列多态性。然而，在5′UTR区域检测到两个多态性。总之，结果表明，PgGRXC9是根系生长的正调控因子，PgGRPC9启动子区的多态性可能导致其表达水平的变化，并最终导致两个品系之间根系生长的定量差异。

图3 珍珠小米主根长度候选基因的鉴定

为了验证PgGRXC9表达水平的变化导致根系生长变化的假设，作者在模式植物拟南芥中研究了其直系同源物。拟南芥中最接近的同源物是ROXY19（AT1G28480），在蛋白质水平上具有56%的同一性（图4A；）。所有重要的氨基酸在PgGRXC9中都是保守的（图4）。

利用Nossen（No-0）背景中可用的roxy19空突变体（Huang et al.，2016）来研究其功能。与野生型生态型相比，roxy19的主根生长减少（0号；图4B，C）。更仔细的检查显示，roxy19根生长的缺陷是由于细胞伸长的减少（图4D），而突变体和野生型的细胞生产速率相似（图4E），因此模拟了在珍珠小米中观察到的表型。功能研究表明，拟南芥中PgGRXC9最接近的同源物ROXY19是通过调节细胞伸长来调节根系生长的正调控因子。

图4 PgGRXC9的拟南芥同源物调节根的生长

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排版：野凌

审核：三黍生物企宣部