深圳商報·讀創客戶端記者 張妍 通訊員 馬昕怡
近日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）聯合崖州灣國家實驗室、山東省農業科學院濕地農業與生態研究所、中國水稻研究所等單位在【國家科學評論（National Science Review）】（IF=20.6）上線上發表了題為「Uncovering key salt-tolerant regulators through a combined eQTL and GWAS analysis using the super pan-genome in rice」的研究論文。研究繪制了水稻超級泛基因群組體在鹽脅迫下的表達譜，並成功挖掘了新的水稻耐鹽關鍵優異基因STG5，該研究對水稻耐鹽育種改良具有重要意義。
據了解，鹽堿地分布遍布全球30多個國家，面積約為9.5438億公頃，其中中國鹽堿地面積約9,913萬公頃，位於世界第三，也是中國耕地重要的後備資源。
如何喚醒這片「沈睡」土地，是當下亟需解決的「卡脖子」問題之一。鹽脅迫會對水稻生長發育的各個階段造成不同程度的危害，進而導致水稻產量降低。耐鹽水稻的選育是鹽堿地的開發利用和耕地改良保護的重要舉措，也是提高水稻產量的有效途徑。因此，深入對水稻不同種質資源進行耐鹽性分析和鑒定，並解析水稻耐鹽遺傳基礎和分子機制，可為耐鹽水稻品種的培育奠定良好的理論基礎和種質材料。
為了更好地利用和挖掘種質資源中對育種有價值的優異自然變異，基因組所商連光團隊前期完成了完整參考基因組的組裝、水稻超級泛基因組的構建和優異等位基因快速挖掘的平台搭建、基因組復雜區域和復雜結構變異的解析。同時，構建的萬份水稻變異圖譜進一步挖掘了水稻育種中具有重要價值的稀有自然變異，為育種提供重要的優異等位基因資源和稀有育種重要價值材料。這些工作為耐鹽優異自然變異的挖掘和利用提供了全面豐富的遺傳變異資訊和研究材料。
基於前期的超級泛基因組工作，為了挖掘耐鹽優異基因和更好地育種套用，本研究構建了超級泛基因群組體在正常和鹽脅迫下的表達譜，進行表達數量性狀位點分析，鑒定到正常和鹽脅迫的eQTL位點分別有22,345、27,160個，調控的eGene分別有7,787和9,361個，而鹽脅迫下特有eGene有3,244個。
另一方面，基於群體正常和鹽脅迫轉錄組，進行了差異基因分析，在群體水平鑒定到DEGs有12,898個。該研究建立了多個鹽脅迫響應的基因數據集，為耐鹽基因的挖掘提供良好的基礎。
此外，該研究系統分析了群體苗期耐鹽性，評價多個耐鹽性狀指標，結合超級泛基因組的全基因組關聯分析挖掘了多個耐鹽新位點，同時包含了已知的QTL位點。該研究深入挖掘了5號染色體上的主效位點（qSTS5），利用GWAS結合eQTL、DEGs數據集進行聯合分析，同時透過不同背景的染色體片段代換系連鎖分析確定候選基因範圍，釘選主效候選基因STG5，研究表明該基因正向調控水稻鹽脅迫的響應。
研究人員把該基因海稻86的優異單倍型匯入到日本晴品種中，可以顯著提高日本晴品種的耐鹽性，透過群體自然變異分析，STG5優異單倍型和耐鹽主效基因SKC1(Ren et al.,2005)的優異單倍型具有累加效應，二者優異單倍型組合能夠更高振幅提高水稻耐鹽性，表明該基因在耐鹽生物育種中具有較大的套用潛力。透過生化實驗分析，發現STG5基因主要參與調控HKT(High-affinity K+transporters)基因家族多個成員的表達，進而調控鈉離子與鉀離子穩態平衡，賦予耐鹽水稻品種更強的耐鹽性。
透過多項聯合分析，助力快速複制耐鹽新基因，該研究中的多個數據集可為耐鹽基因挖掘提供豐富的基因池，將對研發和培育水稻耐鹽新品種提供理論支持和相關遺傳資源。目前，該研究中的相關基因在調控水稻耐鹽性方面的套用已經申請了國家專利。
據了解，基因組所商連光研究員、崖州灣國家實驗室錢前院士和山東省農業科學院濕地農業與生態研究所謝先芝研究員為論文的共同通訊作者。基因組所博士後魏華、汪賢猛、張誌鵬和在讀研究生楊龍波、張纖纖為論文共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金基礎科學中心、廣東省自然科學基金傑出青年基金、中國農科院青年創新專項以及中國博士後基金和深圳市科技創新人才計畫資金資助。
