全基因组关联研究揭示水稻剑叶角度调控新基因与有利等位基因

《BMC Genomics》：Genome-wide association study identifies elite alleles of FLA2 and FLA9 controlling flag leaf angle in rice

为解决杂交水稻授粉难题，研究人员开展水稻剑叶角度（FLA）研究，鉴定出 6 个新 QTL 和 2 个候选基因，意义重大。

　　在农业生产的大舞台上，水稻作为全球半数以上人口的主食，其产量和质量关乎着人类的生存与发展。而杂交育种则是提高水稻产量的关键 “武器”。在杂交水稻种子生产过程中，一个看似不起眼却又至关重要的问题摆在了人们面前：水稻剑叶角度（Flag Leaf Angle，FLA）过小，会导致在抽穗早期，直立的剑叶像一道道屏障，阻碍正常的授粉过程。为了实现人工授粉，农民们不得不花费大量的时间和精力去剪掉剑叶，这不仅耗费人力，而且操作时还需小心翼翼，否则容易损伤幼穗。此外，剪叶造成的伤口还会影响水稻的灌浆过程，进而影响产量。因此，培育大 FLA 的水稻品种迫在眉睫，这不仅能节省人工授粉时的劳动力，还能加速杂交水稻种子生产的机械化进程。

为了攻克这一难题，安徽农业大学农学院的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《BMC Genomics》上，为水稻 FLA 的遗传改良带来了新的曙光。

研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：

1. 全基因组关联研究（Genome-Wide Association Study，GWAS）：对 431 份水稻种质进行 GWAS 分析，检测与 FLA 相关的数量性状位点（Quantitative Trait Loci，QTL）。
2. 基因分型与注释：获取 431 份水稻种质的重测序数据，通过筛选单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphisms，SNP）进行基因分型，并利用相关软件对 SNP 进行注释。
3. 单倍型分析：针对候选基因区域的非同义 SNP 进行单倍型分析，确定不同单倍型与 FLA 的关系。
4. 定量实时聚合酶链反应（Quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction，qRT-PCR）：验证候选基因 FLA2 和 FLA9 的表达水平，进一步确认其与 FLA 的关联。

研究结果如下：

1. FLA 的表型变异：在 2022 年和 2023 年的研究中，431 份水稻种质的 FLA 表现出显著差异，变异系数在 52.20 - 58.69% 之间，两年 FLA 的平均值在 14.26° - 20.28° 之间。FLA 的频率直方图显示其呈近似正态分布，这表明 FLA 是一个受多基因控制的数量性状，且品种间存在丰富的表型变异。
2. 群体结构和连锁不平衡（Linkage Disequilibrium，LD）衰减分析：通过系统发育树、主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和遗传关系分析，将 431 份水稻种质分为四个亚群，分别为籼（Xian）、粳（Geng）、混合（admix）和巴斯（Bas）。LD 衰减分析表明，当 r2 降低到最大值的一半时，相应的衰减距离为 395 kb，这说明该研究群体适用于关联分析。
3. FLA 性状的 GWAS 分析：利用混合线性模型（Mixed Linear Model，MLM）对 431 份水稻种质进行 GWAS 分析，在 2022 年和 2023 年共鉴定出 11 个 QTL，位于 1、2、7、8 和 9 号染色体上。通过基因组最佳线性无偏预测（Best Linear Unbiased Prediction，BLUP）方法消除环境对表型数据的影响后，进行跨环境联合 GWAS 分析，最终确定了 8 个 QTL，其中 6 个为新发现的 QTL。
4. 与 FLA 相关的两个候选基因的鉴定：对新发现的 QTL 区域进行候选基因分析，通过基因功能注释、非同义 SNP 和单倍型分析，最终确定了位于 2 号染色体上的 FLA2（LOC_Os02g52590）和 9 号染色体上的 FLA9（LOC_Os09g03140）作为控制水稻 FLA 的候选基因。FLA2 编码木葡聚糖岩藻糖基转移酶，FLA9 编码细胞分裂素 - O - 葡萄糖基转移酶 2。
5. 实时 PCR 分析验证：qRT-PCR 结果显示，在 4 个大 FLA 材料中，FLA2 的表达显著高于小 FLA 材料；在 4 个大 FLA 材料中，FLA9 的表达显著高于小 FLA 材料（其中 1 个材料无显著差异），这进一步证实了 FLA2 和 FLA9 是控制水稻 FLA 的候选基因。
6. 优良单倍型分析：对 FLA2 和 FLA9 进行单倍型分析，确定了 FLA2 的优良单倍型 HapA 和 FLA9 的优良单倍型 HapB。HapA 主要由籼、粳、混合和巴斯亚群组成，HapB 主要由粳、巴斯和籼亚群组成。优良单倍型的地理分布显示，FLA2 的优良单倍型集中在东南亚（中国）的中低纬度地区和籼亚群，FLA9 的优良单倍型集中在低纬度地区（菲律宾）和粳亚群。
7. 预测 FLA 的优良亲本组合：根据平均正（负）单倍型效应（Average Haplotype Effect，AHE）分析，确定了 30 个同时含有 FLA2 HapA 和 FLA9 HapB 的亲本，从中选择了 11 个结实率高的水稻种质作为优良亲本。这些预测的优良等位基因和优良亲本可通过聚合育种提高杂交水稻品种的 FLA，从而提高杂交水稻的异交率和产量。

研究结论和讨论部分指出，该研究连续两年对 431 份水稻品种的 FLA 表型数据进行调查，发现 FLA 受遗传和环境因素共同影响。通过 GWAS 分析，鉴定出 6 个新的与 FLA 相关的 QTL 和 2 个候选基因 FLA2 和 FLA9。FLA2 和 FLA9 可能通过影响细胞壁的延伸和细胞分裂等过程来调控 FLA，但细胞分裂素对 FLA 是否有直接调控作用仍有待进一步探索。在不同类型的水稻育种中，小 FLA 和大 FLA 都对提高水稻产量有重要意义。研究中预测的优良亲本在生产环境中的表现还需进一步验证。总之，该研究为水稻 FLA 相关基因的功能分析和杂交育种改良提供了重要的分子基础，对推动杂交水稻的发展具有重要意义。