网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

Nature Commun | 华中农业大学谢为博/吴昌银团队开发新方法,解析水稻穗型变异的因果基因及其调控网络

0
分享至

每穗粒数是育种中提高水稻产量的关键性状。因此,深入挖掘每穗粒数相关基因,解析种质资源中每穗粒数变异的遗传基础和调控机制,对于培育高产水稻品种具有重要的指导意义。近年来,全基因组关联分析(GWAS)已被广泛应用于植物领域,以探索丰富的自然变异。然而,由于水稻基因组的连锁不平衡衰减距离较大,以及每穗粒数遗传基础的复杂性,目前通过GWAS鉴定的控制每穗粒数的功能基因还较少,每穗粒数相关基因间的调控网络也有待进一步解析。因此,亟需开发新方法和新策略来解决这些问题。

近日,华中农业大学谢为博/吴昌银团队在Nature Communications在线发表了的研究论文“Transcriptome-wide association analyses reveal the impact of regulatory variants on rice panicle architecture and causal gene regulatory networks”。该研究获取了275份代表性水稻品种1-2 mm幼穗的转录组数据,揭示了顺式调控变异在水稻驯化或育种过程中的选择印迹及其对穗型性状的影响,开发了一种新方法用于鉴定因果基因及解析基因调控网络。基于该方法鉴定了SDT/miR156j和OsMADS17等36个影响每穗颖花数的候选因果基因,发掘并验证了OsMADS17在热带粳稻中的优异单倍型,并解析了OsMADS17对SDT/mir156j的调控关系。

该研究获取了275份代表性水稻品种枝梗和颖花原基分化期幼穗(1-2 mm)的转录组数据,将每穗颖花数(SPP)、一次枝梗数以及穗长这3个穗型性状分别与基因的表达水平进行关联分析(TWAS),分别检测到4175、5844和6839个显著关联基因。这些TWAS显著基因包含许多已知的穗发育相关基因,以及大量的可能对穗发育起重要作用的新调控因子。通过对穗型性状和TWAS显著基因表达量的方差组成进行剖析,发现SPP的表型变异主要受大量小效应GWAS位点调控,并且TWAS显著基因的转录水平也主要受小效应GWAS位点调控从而影响SPP,表明SPP遗传基础和调控网络的复杂性。

图2 研究概貌

基因表达变异在很大程度上受cis-eQTL的调控,但cis-eQTL在驯化或育种过程中是否受到选择,以及这种选择对作物的性状有怎样的影响目前还鲜有研究。该研究通过对基因cis-eQTL的衍生等位基因频率(DAF)进行分析,发现随着DAF升高,变异位点作为cis-eQTL的比例逐渐增加,表明cis-eQTL在水稻驯化或育种过程中受到选择。进一步研究发现,频率高的衍生等位基因,更倾向于上调SPP正相关基因的表达或下调SPP负相关基因的表达,即倾向于对SPP有正效应,而频率低的衍生等位基因的倾向性则相反。这个结果表明,在水稻驯化或育种过程中,能提升SPP的衍生等位基因受到正向选择,而对SPP有负效应的衍生等位基因则受到负向选择。

该研究进一步开发了一种方法用于鉴定影响表型的因果基因。在人类医学研究中,近年来已经开发了一些方法,根据基因表达变异的顺式组分(由顺式调控变异引起,cis-EC)与表型之间的相关性来识别影响表型的因果基因。然而,由于存在连锁不平衡,用这些方法鉴定的基因也容易出现假阳性。在此基础上,该研究将基因的表达量分解为顺式组分和反式组分(由反式变异引起,trans-EC),然后将顺式和反式组分分别与表型进行关联分析(cis- & trans-ECAS),并筛选顺式和反式组分都与表型关联的基因作为候选因果基因(图3a)。该策略能有效地克服连锁不平衡导致的假阳性问题。通过该方法,研究者鉴定了36个影响SPP的候选因果基因,其中包括SDT以及新基因OsMADS17(排名分别为第1和第2),它们的表达均负调控SPP(图3b)。虽然OsMADS17和SDT附近的变异位点与SPP之间的关联都较弱(P > 110-5),但是该方法仍然能有效地识别这两个基因,说明该方法能有效地识别即使是小效应位点上的因果基因。此外,研究者发现这36个基因的cis-eQTL对SPP具有较好的预测能力,聚合这些位点上的有利等位基因可能可以进一步提高水稻产量。

图3通过顺式和反式表达组分关联分析(cis- & trans-ECAS)鉴定因果基因

该研究进一步使用上述方法,将具体基因的表达量作为一种分子性状,来鉴定具体基因的上游调控因子,从而解析基因的因果调控网络。通过这种方式,研究者推测OsMADS17可能是64个SPP TWAS显著基因的上游调控因子,其中包括SDT,并且OsMADS17正调控SDT的表达(图4j)。结合ATAC-seq数据等信息,研究者推测OsMADS17可能通过结合SDT TSS上游4.2-4.4 kb处的一个远端开放染色质区(dOCR)来调控SDT的表达。双荧光素酶报告试验(图4d, e)和EMSA实验对这一调控机制进行了验证。由于SDT编码的mir156j是IPA1的负调控因子,该研究揭示了OsMADS17通过上调SDT表达从而负调控IPA1以减少SPP的调控机制。

图4. OsMADS17调控SDT的转录并影响SPP

最后,该研究对OsMADS17的功能和育种应用进行了验证。与野生型相比,CR-osmads17敲除系的SPP增加了19.2%(图4f-i)。将OsMADS17低表达的等位基因导入到含高表达等位基因的材料中,能使SPP增加18.5%。OsMADS17的优良等位基因在热带粳稻中的频率较高,而在种植面积较大的温带粳稻和籼稻中的频率较低,因此其在提高主要栽培种的穗粒数和产量方面具有较大潜力。值得注意的是,近期OsMADS17也被中国农大孙传清团队报道。

总之,该研究揭示了顺式调控变异在水稻驯化或育种过程中的选择印迹及其对穗型性状的影响,并开发了一种方法用于鉴定因果基因及解析基因调控网络,该方法可能在作物复杂性状的研究中很有用。鉴定的因果基因及其调控网络,不仅为穗型性状的调控机制提供了新的见解,也为水稻的分子育种提供了有用的资源。

华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室的谢为博教授和吴昌银教授为该论文的共同通讯作者,博士生明路长、已毕业博士符德保为该论文的共同第一作者。王磊研究员、李旭副研究员和美国韦恩州立大学医学院的魏巨龙博士等对该研究提供了指导和帮助。该研究得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、湖北省国家重点研发计划、HZAU-AGIS合作基金和湖北省洪山实验室基金的资助。

通信作者简介

谢为博,华中农业大学教授、国家优青(2019),近年主要围绕作物优异基因的挖掘与创制及育种技术创新开展方法学研究,开发了整合多维组学快速鉴定关键序列变异、功能基因并高效解析其分子机制的系列方法(Mol Plant, 2021a, 2021b; Nucleic Acids Res, 2021; Nat Commun, 2022; Genome Biol, 2022; Nat Commun, 2023)。

因科研工作需要,谢为博团队拟招聘数据分析或分子实验方面有经验的博士后2-3名,以水稻为主要研究对象,针对株型、穗型和根型等性状,开展智能设计技术开发等方面的研究。博士后将能获得在数据分析和组学技术应用方面的系统训练。有意者请联系谢老师,邮箱:weibo.xie[#]mail.hzau.edu.cn(请把[#]换成@)。

https://www.nature.com/articles/s41467-023-43077-6

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
伊朗外长落地北京后!特朗普态度180度转变:连说中国三句好话

伊朗外长落地北京后!特朗普态度180度转变:连说中国三句好话

风流女汉
2026-05-06 09:59:58
“排队3小时,打卡1分钟”,多景区迎“泼天流量”

“排队3小时,打卡1分钟”,多景区迎“泼天流量”

澎湃新闻
2026-05-06 00:04:10
女子举报列车合规吸烟区抽烟!强硬要求全列无烟,网友评论一边倒

女子举报列车合规吸烟区抽烟!强硬要求全列无烟,网友评论一边倒

行者聊官
2026-05-06 12:26:28
王心凌在深圳演出中遇意外:舞台镭射激光设备失控,强光直射王心凌腿部;网友反映激光长时间大面积扫射观众席,致手机相机镜头等设备损坏

王心凌在深圳演出中遇意外:舞台镭射激光设备失控,强光直射王心凌腿部;网友反映激光长时间大面积扫射观众席,致手机相机镜头等设备损坏

洪观新闻
2026-05-06 12:06:56
把身价打没了!里夫斯16中3复出最差表现 湖媒批恐损失几千万

把身价打没了!里夫斯16中3复出最差表现 湖媒批恐损失几千万

醉卧浮生
2026-05-06 11:17:50
8.84亿的美国工厂说关就关?曹德旺:美国不讲理,我就不陪玩了

8.84亿的美国工厂说关就关?曹德旺:美国不讲理,我就不陪玩了

小莜读史
2026-05-04 20:33:26
我军测试某新型反导武器 指挥屏全是马赛克

我军测试某新型反导武器 指挥屏全是马赛克

看看新闻Knews
2026-05-05 21:28:08
张亮儿子17岁当爹了!?

张亮儿子17岁当爹了!?

八卦疯叔
2026-05-06 11:04:32
河南网红“漯河酒神”郭永华去世,一口气能喝半斤,多次出现幻觉

河南网红“漯河酒神”郭永华去世,一口气能喝半斤,多次出现幻觉

裕丰娱间说
2026-05-06 08:38:01
26死!一员工因亲属在浏阳花炮事故中离世请假,获领导暖心批复

26死!一员工因亲属在浏阳花炮事故中离世请假,获领导暖心批复

火山詩话
2026-05-06 10:04:31
一只青蛙如何被井外势力蛊惑

一只青蛙如何被井外势力蛊惑

黔有虎
2026-05-05 22:54:29
一个社交规律:与人相处,下策是讨好,中策是交换,而高明的人多半懂得用这两个方法,简单却很管用

一个社交规律:与人相处,下策是讨好,中策是交换,而高明的人多半懂得用这两个方法,简单却很管用

心理观察局
2026-05-06 07:59:05
伯纳乌大地震!皇马放话出售姆巴佩,天价报价就接

伯纳乌大地震!皇马放话出售姆巴佩,天价报价就接

奶盖熊本熊
2026-05-06 00:00:36
关键时刻,伊朗外长亲自访华,背后释放重磅信号,美担心情况发生

关键时刻,伊朗外长亲自访华,背后释放重磅信号,美担心情况发生

军武咖
2026-05-05 22:05:10
工人脱岗睡觉、擅自搭建新产线,恩华药业被查出多项重大隐患,去年净利润首次下滑

工人脱岗睡觉、擅自搭建新产线,恩华药业被查出多项重大隐患,去年净利润首次下滑

红星新闻
2026-05-05 18:21:19
0-1不敌东南亚劲旅,中国男足遭遇亚洲杯开门黑,晋级形势严峻

0-1不敌东南亚劲旅,中国男足遭遇亚洲杯开门黑,晋级形势严峻

侧身凌空斩
2026-05-06 02:26:35
16岁女子玩悬崖秋千坠亡:生前17秒视频曝光,旁人哄笑,错失救援

16岁女子玩悬崖秋千坠亡:生前17秒视频曝光,旁人哄笑,错失救援

李晚书
2026-05-06 10:46:28
绳子断裂女游客已经死亡,事发前一直喊没绑紧,吓得快哭了

绳子断裂女游客已经死亡,事发前一直喊没绑紧,吓得快哭了

映射生活的身影
2026-05-05 21:19:42
华蓥山悬崖秋千体验者称后怕:反复叮嘱仔细检查,工作人员劝其“胆子要放大”

华蓥山悬崖秋千体验者称后怕:反复叮嘱仔细检查,工作人员劝其“胆子要放大”

上游新闻
2026-05-06 12:57:49
美国刚扔出最毒芯片封锁令,中国只用三天就回了一句:不需要你了

美国刚扔出最毒芯片封锁令,中国只用三天就回了一句:不需要你了

菁菁子衿
2026-05-06 09:48:23
2026-05-06 14:47:00
BioArt植物 incentive-icons
BioArt植物
植物科学领域最新研究进展
9079文章数 8717关注度
往期回顾 全部

科技要闻

“马斯克不懂AI”:OpenAI当庭戳老底

头条要闻

男子购百万保险被邀免费游老挝 花数十万买"熊胆"心虚

头条要闻

男子购百万保险被邀免费游老挝 花数十万买"熊胆"心虚

体育要闻

活塞1比0骑士:坎宁安不再是一个人了

娱乐要闻

神仙友谊!杨紫连续10年为张一山庆生

财经要闻

人形机器人七小龙:谁真能卖 谁在讲故事?

汽车要闻

领克10/领克10+ 无论能源形式 领克都要快乐

态度原创

游戏
房产
本地
教育
家居

掌控阴阳挑战圣山!《生肖山Zodiac Mountain》登陆Steam牌组构建游戏节

房产要闻

五一楼市彻底明牌!塔尖人群都在重仓凯旋新世界

本地新闻

用青花瓷的方式,打开西溪湿地

教育要闻

六条逻辑主线替代四个大概念,反映了怎样的理念? | 高中课标修订解读⑥

家居要闻

大胆前卫 时尚大宅

无障碍浏览 进入关怀版