小麦耐盐性的遗传基础解析及候选基因鉴定

本文通过研究小麦重组自交系，鉴定出 21 个耐盐相关 QTL 及 236 个候选基因，助力小麦耐盐育种。

　　### 引言
小麦（Triticum aestivum L.）作为全球重要的粮食作物，为大量人口提供了主要的热量和蛋白质来源。然而，盐胁迫成为限制其产量的关键环境因素。全球超过 20% 的灌溉土地面临盐渍化风险，每年约有 150 万公顷土地因高盐度而丧失生产力，严重影响小麦生产，因此培育耐盐小麦品种对保障粮食安全意义重大。

盐胁迫对植物的影响广泛，它干扰植物的发芽、生长、水分吸收、光合作用、养分吸收以及酶活性等多个生理过程，最终导致产量下降。植物在长期进化中形成了多种耐盐机制，包括离子排斥、有机渗透调节物质积累、抗氧化物质生成以及养分吸收变化等。其中，抗氧化酶如过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和渗透调节物质脯氨酸等在缓解盐胁迫损伤方面发挥着关键作用。

在小麦耐盐性研究领域，数量性状位点（QTL）定位是剖析其遗传基础的重要手段。过去已有众多研究致力于此，在 1996 - 2022 年间，共鉴定出 934 个与小麦耐盐性相关的显著 QTL，涵盖多种性状。然而，多数研究聚焦于产量和农艺性状，针对盐胁迫响应相关生化性状的研究相对较少。本研究旨在填补这一空白，鉴定与小麦幼苗期耐 200 mM NaCl 相关的过氧化氢酶、过氧化物酶、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、脯氨酸和总蛋白含量的新 QTL，并追踪耐盐基因。

材料与方法

1. 植物材料：实验选用 186 个 F₁₂重组自交系（RIL），由 Roshan 品种（母本）和 Superhead#2（父本）杂交获得。Roshan 品种具有半抗寒、耐盐耐旱等特性，而 Superhead#2 对盐敏感。这些 RIL 经过 12 代自交，达到了完全的遗传纯合。
2. 植物处理：实验在伊斯兰阿扎德大学进行，采用完全随机设计，设置三个重复。种子经表面消毒后，在光照培养箱中，以 16 小时光照 / 8 小时黑暗的光周期、25.8°C 的温度，利用水培系统培养。使用改良的 Hoagland 营养液，并逐步增加 NaCl 浓度以模拟盐胁迫，最终使溶液中 NaCl 浓度达到 200 mM，在小麦植株达到四叶期时进行收获。
3. 酶提取与测定：从新鲜叶片组织中提取酶，用于测定多种物质的含量。其中，CAT 活性通过测量 H₂O₂浓度在 240 nm 处的下降速率来确定；POD 活性采用特定方法，通过记录 530 nm 处吸光度变化计算；PAL 活性依据反应生成的肉桂酸含量，在 290 nm 处进行分光光度测定；总蛋白含量利用 Bradford 法，以牛血清白蛋白（BSA）为标准进行测定；脯氨酸含量则通过特定步骤，测量 520 nm 处的吸光度来确定。
4. 遗传分析：利用 428 个多样性阵列技术（DArT）标记和 23 个简单序列重复（SSR）标记构建遗传图谱，设定 LOD 分数阈值为 3.0，采用 Kosambi 映射函数。使用 QTL Cartographer 软件 v.5.2 基于复合区间作图（CIM）进行 QTL 分析，通过 1000 次置换检验确定 LOD 阈值。根据 QTL 解释的表型变异，在 5% 的显著性水平下鉴定 QTL，并计算其置信区间。通过 BLAST 工具访问 Ensembl Plants 数据库获取小麦参考基因组序列，利用 BioMart 工具检索基因模型，借助 AgriGO 数据库进行基因本体（GO）富集分析。

结果

1. 表型评估：对 186 个 RILs 的相关性状进行评估，发现这些性状在群体中呈现近似正态分布。方差分析表明，各重组自交系在研究性状上存在显著差异，证实了群体中具有充足的遗传多样性。同时，计算得到的五个性状的简单相关系数显示，它们之间存在显著相关性（P < 0.05 和P < 0.01）。
2. QTL 分析：运用 CIM 方法，共鉴定出 21 个 QTL，分别与 CAT（3 个）、POD（3 个）、PAL（9 个）、脯氨酸（3 个）和总蛋白（3 个）相关。这些 QTL 分布在 1A1、4A、1B、2B1、2B2、2B3、3B、5B1、6B1、6B2、1D 和 2D 等染色体上。
3. 各性状 QTL 的具体信息
   • 脯氨酸：三个 QTL 分别位于 2B3、4A 和 5B1 染色体上，LOD 分数分别为 3.0、4.1 和 4.7，解释的表型变异分别为 8.09%、22.87% 和 8.74%。位于 4A 染色体上的 QTL 是主要 QTL，对表型变异的贡献最大。
   • 过氧化物酶：三个 QTL 分别位于 2B2、4A 和 3B 染色体上，LOD 分数分别为 4.6、4.3 和 4.6，解释的表型变异分别为 6.11%、6.46% 和 6.5%。
   • 过氧化氢酶：三个 QTL 分别位于 1B、2D 和 2B1 染色体上，LOD 分数分别为 3.8、3.1 和 3.3，解释的表型变异分别为 7.01%、6.79% 和 7.07%。
   • 总蛋白：三个 QTL 分别位于 4A、1B 和 2D 染色体上，LOD 分数分别为 3.3、3.0 和 3.1。其中，Qpro - 4A 和 Qpro - 1B 表现出负加性效应，Qpro - 2D 表现出正加性效应，解释的表型变异分别为 8%、6.19% 和 9.47%。
   • 苯丙氨酸解氨酶：共鉴定出 9 个 QTL，其中三个是主要 QTL，解释的表型变异超过 10%。位于 2D 染色体上的 Qpal - 2D 是最具影响力的 QTL，解释了 38.9% 的表型变异。
   
   
4. 候选基因的鉴定与筛选：在鉴定出的 QTL 中，部分与小麦基因或相邻基因相关。通过 BLAST 分析，确定了一些与各性状相关的基因，如脯氨酸相关的 TraesCS4A02G084500 基因，位于 4A 染色体上，编码参与信号转导的蛋白质。同时，对所有 QTL 区域的候选基因进行分析，发现 10,976 个候选基因被归类到 99 个 GO 术语中，包括 59 个生物过程相关术语、24 个分子功能相关术语和 16 个细胞成分相关术语。

讨论

在全球盐渍化土地日益增多的背景下，利用耐盐植物和基因型是实现可持续农业的关键。然而，目前在植物遗传学领域，准确鉴定特定 QTL 及其分子功能仍是一项挑战。尽管已有大量关于作物 QTL 分析的研究，但多数聚焦于利用遗传标记定位 QTL 区域。

本研究通过对 186 个 F12 重组自交系的研究，在水培系统中评估了多个与耐盐性相关的生化指标，为小麦耐盐性研究提供了新的见解。研究中鉴定出的 21 个 QTL 分布在 A、B 和 D 染色体上，其中 B 和 D 染色体上的 QTL 数量较多，这表明这些基因组中可能含有更多与耐盐性相关的活性基因。

与以往研究相比，本研究鉴定出的脯氨酸相关 QTL 与其他研究既有重叠也有差异。例如，本研究在 4A 染色体上发现的主要 QTL，与前人研究中在不同染色体上发现的脯氨酸 QTL 有所不同。同时，研究还确定了与各 QTL 相关的候选基因，这些基因在蛋白质 - 蛋白质相互作用、信号转导、抗氧化等多个生物学过程中发挥作用。

此外，本研究利用基因本体富集分析和基因优先排序工具，对大量候选基因进行筛选，确定了与耐盐性相关的关键生物学过程和潜在基因。这些基因参与了碳水化合物介导的信号传导、戊糖代谢、蛋白质磷酸化等过程，为深入理解小麦耐盐机制提供了重要线索。

结论

本研究综合运用多种方法，全面解析了小麦耐盐性的遗传基础。通过严格的实验设计和数据分析，鉴定出 21 个与耐盐性相关的 QTL，其中包括位于 4A 和 3D 染色体上的两个主要 QTL。同时，预测了 236 个参与信号通路和蛋白质调控的候选基因，这些基因在应对水分胁迫中发挥着重要作用。这些研究成果为小麦耐盐育种提供了重要的理论依据和基因资源，有望通过标记辅助育种技术，培育出更具耐盐性的小麦品种，从而提高盐渍化土地上的小麦产量，保障全球粮食安全。