基于GWAS的432份水稻品种萌发期耐淹性QTL/基因鉴定研究

本研究针对水稻直播栽培中淹水胁迫导致萌发受阻的难题，通过全基因组关联分析（GWAS）系统鉴定了水稻萌发期耐淹性关键QTL和候选基因。研究人员利用包含432份籼粳稻品种的自然群体，在10 cm淹水深度下评估胚芽鞘长度（CL），发现粳稻耐淹性显著优于籼稻，并定位到13个QTL（含9个新位点）。通过qRT-PCR和基因敲除验证，首次揭示LOC_Os09g11590、LOC_Os09g11660和LOC_Os09g11760通过负调控胚芽鞘伸长影响耐淹性，为耐淹水稻育种提供了新靶点。

　　

研究背景

水稻直播技术因省工高效备受青睐，但田间淹水环境会严重抑制种子萌发。胚芽鞘作为幼苗突破水面的"呼吸导管"，其伸长能力直接决定淹水条件下的成苗率。虽然前人已发现SUB1等耐淹基因，但多关注营养生长期，萌发期耐淹机制仍是未解之谜。更棘手的是，籼稻品种普遍存在"淹水即休眠"的缺陷，而现有育种资源中耐淹基因挖掘不足，严重制约直播稻品种选育。

研究方法

研究团队构建了包含432份全球籼粳稻品种的自然群体（中国25省及菲律宾等国种质），采用10 cm淹水深度模拟田间条件，以胚芽鞘长度为表型指标。通过3,548,101个SNP进行全基因组关联分析（GWAS），结合LD衰减分析定位候选区间。利用qRT-PCR检测候选基因表达模式，并通过CRISPR/Cas9构建基因敲除株系验证功能。单倍型分析基于非 synonymous SNP进行。

研究结果

1. 表型变异与群体结构

粳稻胚芽鞘平均长度（2.4 cm）显著优于籼稻（1.1 cm），其中极端耐淹品种中粳稻占比达92%（33/36）。群体结构分析显示该自然群体可分为籼粳两个亚群，遗传多样性丰富。

2. GWAS定位耐淹QTL

共鉴定到13个显著QTL，其中qCL9（第9染色体21.615-21.619 Mb）贡献率最高。该区域包含40个基因，含已知耐淹基因OsSub1B/C。

3. 候选基因功能验证

LOC_Os09g11660和LOC_Os09g11760表达量与胚芽鞘长度呈显著负相关（r=-0.7138/-0.5526）。敲除实验证实这三个基因负调控胚芽鞘伸长：

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  LOC_Os09g11660KO突变体胚芽鞘增长23%

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  LOC_Os09g11760KO增长18%

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  双敲除株系表现出叠加效应

4. 单倍型分析

在LOC_Os09g11660中发现3种单倍型，其中Hap2品种胚芽鞘比Hap1长34%，可作为分子标记辅助选择。

结论与意义

该研究首次系统解析了水稻萌发期耐淹性的遗传架构，发现粳稻耐淹优势与LOC_Os09g11660等基因的弱等位变异相关。这些基因通过抑制胚芽鞘过度伸长来保存能量，与已知SUB1介导的"静止策略"存在协同效应。研究建立的432份种质GWAS体系为复杂性状解析提供了新范式，qCL9位点的优异单倍型可直接用于粳稻耐淹性改良，对推进水稻轻简化栽培具有重要实践价值。论文发表于《BMC Plant Biology》，为应对气候变化下的水稻稳产提供了新思路。