F2群体批量分离分析揭示水稻盐胁迫耐受新机制：泛素化与激素信号通路的关键作用

《Scientific Reports》：F2 bulk segregant analysis reveals salt-tolerant QTLs related to the ubiquitination process

本研究针对水稻盐胁迫耐受性这一全球性农业生产难题，通过F2群体批量分离分析（BSA）结合多组学技术，定位了4个与盐耐受相关的数量性状位点（QTL），并验证了其与膜稳定性（CMS）、相对含水量（RWC）等生理指标的强相关性。进一步通过SNP互作分析、加权基因共表达网络及GWAS挖掘出OsSLR1（DELLA蛋白）、E2/E3泛素连接酶等关键基因，揭示了泛素化过程与激素信号转导在盐耐受中的协同调控机制，为水稻耐盐育种提供了新靶点和分子标记。

　　

水稻是全球最重要的粮食作物之一，但其生长和产量常受盐胁迫的严重制约。尤其在幼苗期和生殖生长早期，盐胁迫会导致渗透压失衡、离子毒害、细胞死亡等一系列生理紊乱，最终造成减产。尽管已有研究通过全基因组关联分析（GWAS）或转录组技术挖掘出部分耐盐相关基因，但高通量测序成本高、群体规模受限等问题仍阻碍其广泛应用。泰国地方品种“Jao Khao”虽被证实具有与标准耐盐品种“Pokkali”相当的耐盐性，但其遗传机制尚不明确。为此，研究团队通过批量分离分析（BSA）这一经济高效的策略，在“Jao Khao”与盐敏感品种IR29杂交的F₂群体中系统解析耐盐遗传基础，为培育适应当地条件的高产耐盐水稻品种提供理论依据。

本研究主要采用以下关键技术：

1. 1.
   F₂群体构建与表型分析：以“Jao Khao”×IR29的F₂群体为材料，基于细胞膜稳定性（CMS）和相对含水量（RWC）筛选极端表型个体构建DNA混池；
2. 2.
   全基因组重测序与BSA-QTL定位：通过NovaSeq平台对亲本及混池进行测序，结合SNP指数分析定位显著QTL；
3. 3.
   分子标记开发与验证：在QTL区间内设计标记，利用F₃群体进行基因型-表型关联验证；
4. 4.
   多组学整合分析：通过SNP-by-SNP互作、加权基因共表达网络（WGCNA）及GWAS筛选候选基因；
5. 5.
   表达验证：通过qPCR分析关键基因在盐胁迫下的动态表达模式。

BSA预测到4个耐盐相关QTL

通过计算耐盐与敏感混池间的ΔSNP指数，研究在染色体2、3、6和12上鉴定到4个显著QTL，分别命名为qRWC2.1、qCMS3.1、qRWC6.1和qRWC12.1。其中，qRWC2.1区间最大，包含145个基因，且与已报道的产量相关QTL（qGY2.1）重叠，提示该区域可能协同调控耐盐性与产量。

QTL标记的生理性状关联验证

针对4个QTL开发分子标记（A-D），在F₃群体中验证其与盐损伤指数（SES）、CMS和RWC的关联性。结果显示，胁迫第12天时，标记A（qCMS3.1）与CMS/RWC的相关系数达0.81，标记B-D也与表型显著相关（r=0.67–0.76），证实这些QTL在耐盐性中的重要作用。

连锁不平衡分析支持标记辅助选择潜力

除标记C外，标记A、B、D均位于低重组频率的连锁不平衡（LD）区块中（区块1：144 kb；区块2：32 kb；区块3：9 kb），表明其等位基因共遗传性强，适用于标记辅助选择（MAS）。

多维度候选基因筛选

通过三种互补策略预测关键基因：

1. 1.
   SNP互作分析：在10个品种中检测到显著富集于“植物激素信号转导”通路的基因，其中LOC_Os03g49990（OsSLR1/DELLA）和LOC_Os06g06090（OsMAPK6）位于QTL区间；
2. 2.
   共表达网络比对：发现LOC_Os02g02830（E2泛素结合酶）和LOC_Os06g06170（RING型E3泛素转移酶）与“Luang Pratahn”品种的耐盐枢纽基因重叠；
3. 3.
   GWAS定位：在10个品种中鉴定到21个显著数量性状核苷酸（QTN），包括与SES关联的LOC_Os02g42150（OsWAK14）和与茎鲜重（SFW）关联的LOC_Os02g10700（OsFBOX72）。
   

关键基因表达模式揭示泛素化与DELLA蛋白的协同调控

qPCR分析显示，盐胁迫下耐盐品种“Jao Khao”和“Pokkali”中LOC_Os06g06170（E3泛素连接酶）表达稳定性高于敏感品种IR29，而DELLA蛋白编码基因OsSLR1在“Pokkali”中受抑制。结果表明，耐盐品种可能通过泛素化途径降解DELLA蛋白，平衡生长抑制与胁迫应答。

本研究通过BSA定位了4个水稻耐盐QTL，并验证其与生理性状的强关联性。进一步整合多组学数据，揭示泛素化途径（E2/E3酶）与激素信号（如DELLA）的互作网络在盐耐受中的核心作用。其中，qRWC2.1和qCMS3.1与已知产量或胁迫相关QTL重叠，为耐盐高产育种提供双重靶点；LD分析表明标记A、B、D可用于高效标记辅助选择。研究首次系统阐释“Jao Khao”的耐盐遗传机制，不仅为水稻抗逆育种提供新分子工具，也为作物胁迫应答中泛素化修饰与激素交叉调控的理论研究提供了重要案例。