水稻花期高温胁迫下，稻谷外观品质相关 QTL 和候选基因的重要发现

为探究高温胁迫下水稻谷粒外观品质的遗传机制，研究人员开展 GWAS 分析，鉴定出相关 QTL 和候选基因，为育种提供资源。

　　# 水稻花期高温胁迫研究：解锁谷粒外观品质遗传密码
在全球气候变化的大背景下，温度不断攀升，这给水稻生产带来了巨大挑战。水稻作为全球超 50% 人口的主食，其产量和品质至关重要。适宜水稻开花和小穗发育的温度在 25 - 30°C，然而全球平均气温每升高 1°C，水稻产量就会降低 3.2%。谷粒重量取决于谷粒大小和饱满度，其中谷粒长度（GL）、宽度（GW）是关键因素，而垩白（GC）严重影响水稻的外观品质，这些物理外观性状对种植者和消费者都非常重要。

此前，虽然在理解水稻在高温胁迫下外观品质的遗传基础方面已取得一定进展，但大多集中在开花前和开花后的阶段（穗分化和灌浆期），对于水稻开花期高温胁迫下影响谷粒外观品质的潜在因果基因却知之甚少。

为了填补这一空白，广西农业科学院水稻研究所（Guangxi Academy of Agricultural Sciences）的研究人员进行了一项深入研究，该研究成果发表在《Rice》杂志上。

研究人员利用全基因组关联分析（Genome-Wide Association Study，GWAS）对 525 份水稻核心种质进行研究，探索它们在高温胁迫下的耐受性自然变异情况。同时，在高温和自然条件下评估与谷粒外观品质相关的性状，以此来寻找与高温胁迫下水稻谷粒外观品质相关的数量性状位点（Quantitative Trait Loci，QTL）和候选基因。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，选取了来自 3000 份水稻基因组计划（3 K-RGP）的 525 份水稻材料作为样本队列，这些材料地理来源明确，基因组数据可公开获取。然后，对这些材料进行表型分析，在开花期将部分植株转移到人工气候室进行高温处理，收获后测定谷粒的 GL、GW、谷粒长宽比（GLWR）、垩白粒率（GCR）、垩白度（GCD）和透明度（GTP）等外观品质特征，并计算相对值以评估水稻的耐热性。接着，使用 GWAS 分析筛选耐热种质，确定与谷粒外观品质相关的 QTL。此外，通过 Penta-primer 扩增难治突变系统（PARMS）进行基因基因分型，利用 RNA 测序（RNA-Seq）和定量实时聚合酶链反应（qRT-PCR）分析基因表达，借助 CRISPR/Cas9 技术构建编辑载体并进行水稻遗传转化，获得候选基因的突变体，从而验证基因功能。

研究结果如下：

1. 高温胁迫对水稻谷粒发育的影响：研究发现，高温处理显著降低了籼稻和粳稻的 GL、GW 和 GLWR，同时增加了 GCR 和 GCD，还降低了 GTP，破坏了胚乳结构，这表明开花期高温会严重恶化水稻谷粒外观品质。通过计算相对值评估不同品种对高温处理的响应，发现籼稻和粳稻中都存在不同程度的热敏感、中等响应和耐热品种，并且筛选出了五个在自然和热胁迫条件下都具有长粒、细粒或低垩白粒的耐热种质。
2. QTL 的鉴定：通过 GWAS 分析，在三个群体的十条染色体上共鉴定出 25 个与高温胁迫下水稻谷粒外观品质相关的 QTL。其中，在不同遗传背景下还发现了三组重叠的 QTL，这表明存在许多有价值的与谷粒外观品质相关的耐热 QTL / 基因有待进一步研究。
3. 单倍型分析：单倍型分析表明，Hap1 是优势单倍型。在全群体中，Hap1 在与 RGL 和 RGW 相关的 QTL 中占主导地位；在籼稻中，Hap1 在与 RGCD 相关的部分 QTL 中更为普遍。此外，优势等位基因（SA）的聚合对谷粒外观品质有积极影响，多个 QTL 的组合能显著增强在高温环境中的表型效应，提高谷粒外观品质。
4. 候选基因的鉴定与功能验证：研究人员对重叠 QTL 中的候选基因进行功能分析，结合 RNA-Seq 和 qRT-PCR 结果，确定了 LOC_Os05g06920、LOC_Os05g06970 和 LOC_Os11g28104 这三个基因可能是调控水稻开花期谷粒发育和耐热性的关键候选基因。利用 CRISPR/Cas9 系统获得这三个基因的突变体，表型分析显示，与野生型（WT）相比，突变体在自然和热胁迫条件下，GL 和 GLWR 增加，GW 降低；在热胁迫下，GCR 和 GCD 也降低。而且，突变体在热胁迫后的外观品质性状下降幅度明显小于 WT，这表明这些基因的功能缺失提高了水稻的耐热性，维持了谷粒外观品质的稳定性。

研究结论与讨论部分指出，该研究不仅发现了开花期高温胁迫对水稻谷粒外观品质的显著影响，还鉴定出了 25 个新的 QTL 和三个关键候选基因。这些发现为水稻育种提供了有前景的遗传资源，有助于通过标记辅助选择，聚合多个 QTL / 基因，培育出在高温环境下仍能保持优良外观品质和较高产量的水稻品种，为应对气候变化对水稻生产的挑战提供了有力支持，对保障全球粮食安全具有重要意义。