National Science Review | 基因组所发现水稻耐盐关键新基因

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）联合崖州湾国家实验室、山东省农业科学院湿地农业与生态研究所、中国水稻研究所等单位在《国家科学评论（National Science Review）》（IF=20.6）上在线发表了题为“Uncovering key salt-tolerant regulators through a combined eQTL and GWAS analysis using the super pan-genome in rice”的研究论文。研究绘制了水稻超级泛基因组群体在盐胁迫下的表达谱，并成功挖掘了新的水稻耐盐关键优异基因STG5，该研究对水稻耐盐育种改良具有重要意义。

盐碱地分布遍布全球30多个国家，面积约为9.5438亿公顷，其中我国盐碱地面积约9,913万公顷，位于世界第三，也是我国耕地重要的后备资源。唤醒这片“沉睡”土地，是当下亟需解决的“卡脖子”问题之一。盐胁迫会对水稻生长发育的各个阶段造成不同程度的危害，进而导致水稻产量降低。耐盐水稻的选育是盐碱地的开发利用和耕地改良保护的重要举措，也是提高水稻产量的有效途径。因此，深入对水稻不同种质资源进行耐盐性分析和鉴定，并解析水稻耐盐遗传基础和分子机制，可为耐盐水稻品种的培育奠定良好的理论基础和种质材料。

为了更好地利用和挖掘种质资源中对育种有价值的优异自然变异。商连光团队前期完成了完整参考基因组的组装（Shang et al., Molecular Plant, 2023）、水稻超级泛基因组的构建和优异等位基因快速挖掘的平台搭建（Shang et al., Cell Research, 2022；Lin et al., Journal of Integrative Plant Biology, 2023）、基因组复杂区域（Lv et al., Journal of Integrative Plant Biology, 2024）和复杂结构变异（He et al., Science Bulletin，2023）的解析。构建的万份水稻变异图谱进一步挖掘了水稻育种中具有重要价值的稀有自然变异，为育种提供重要的优异等位基因资源和稀有育种重要价值材料(Wang et al., Nucleic Acids Research, 2023)。这些工作为耐盐优异自然变异的挖掘和利用提供了全面丰富的遗传变异信息和研究材料。

基于前期的超级泛基因组工作，为了挖掘耐盐优异基因和更好地育种应用，本研究构建了超级泛基因组群体在正常和盐胁迫下的表达谱，进行表达数量性状位点（expression quantitative trait loci，eQTL）分析，鉴定到正常和盐胁迫的eQTL位点分别有22,345、27,160个，调控的eGene分别有7,787和9,361个，而盐胁迫下特有eGene有3,244个（图1）。另一方面，基于群体正常和盐胁迫转录组，进行了差异基因分析，在群体水平鉴定到DEGs有12,898个。该研究创建了多个盐胁迫响应的基因数据集，为耐盐基因的挖掘提供良好的基础。此外，该研究系统分析了群体苗期耐盐性，评价多个耐盐性状指标，结合超级泛基因组的全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study，GWAS）挖掘了多个耐盐新位点，同时包含了已知的QTL位点。该研究深入挖掘了5号染色体上的主效位点（qSTS5），利用GWAS结合eQTL、DEGs数据集进行联合分析，同时通过不同背景的染色体片段代换系连锁分析确定候选基因范围，锁定主效候选基因STG5，研究表明该基因正向调控水稻盐胁迫的响应（图2）。把该基因海稻86的优异单倍型导入到日本晴品种中，可以显著提高日本晴品种的耐盐性，通过群体自然变异分析，STG5优异单倍型和耐盐主效基因SKC1 (Ren et al., 2005)的优异单倍型具有累加效应，二者优异单倍型组合能够更高幅度提高水稻耐盐性，表明该基因在耐盐生物育种中具有较大的应用潜力。此外，通过生化实验分析，发现STG5基因主要参与调控HKT (High-affinity K+ transporters)基因家族多个成员的表达，进而调控Na+/K+稳态平衡，赋予耐盐水稻品种更强的耐盐性。

图1 | 盐胁迫下eQTL和eGene统计

通过GWAS和eQTL、DEGs联合分析，助力快速克隆耐盐新基因，该研究中的多个数据集可为耐盐基因挖掘提供丰富的基因池，将对研发和培育水稻耐盐新品种提供理论支持和相关遗传资源。目前，该研究中的相关基因在调控水稻耐盐性方面的应用已经申请了国家专利。

图2 | 耐盐主效位点qSTS5基因克隆和功能验证

中国农业科学院深圳农业基因组研究所商连光研究员、崖州湾国家实验室钱前院士和山东省农业科学院湿地农业与生态研究所谢先芝研究员为论文的共同通讯作者。基因组所博士后魏华、汪贤猛、张志鹏和在读研究生杨龙波、张纤纤为论文共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金基础科学中心、广东省自然科学基金杰出青年基金、中国农科院青年创新专项以及中国博士后基金和深圳市科技创新人才项目资金资助。

商连光团队介绍

长期从事全球野生稻及栽培水稻种质资源的收集和优异种质资源创制、并利用水稻群体泛基因组、转录组、表型组等多组学大数据整合挖掘野生稻和栽培水稻具有育种重要价值的耐盐等抗逆性状和产量性状优异等位基因，数据库构建及大数据智慧育种等前沿研究。近年来以第一作者或通讯作者（含共同）在Cell Research（2022，封面文章）、Molecular Plant （2020，2021，2023）、Nucleic Acids Research (2023)、National Science Review（2024）、Science Bulletin（2023，封面文章）、Trends in Plant Science（2022）、Plant Biotechnology Journal （2021，2024）、New Phytologist（2020）、Journal of Integrative Plant Biology（2023，2024）、Plant Physiology（2023）等刊物上发表系列高水平SCI论文。

原文链接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwae043/7601401

参考文献：

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