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署名文章 | PBJ：301 份材料的重测序鉴定苎麻纤维产量相关的遗传位点

人阅读发布时间：2021-09-28 14:10

苎麻是我国第二大纤维作物，其种植面积和纤维产量仅次于棉花。苎麻纤维是纺织工业中一种颇为流行的天然纤维。但在苎麻育种研究中，对苎麻纤维产量和品质的提升进展较为缓慢。

9 月 24 日，中国农业科学院麻类研究所刘头明研究员团队与上海欧易生物医学科技有限公司合作，在 Plant Biotechnology Journal 杂志（IF: 9.803）在线发表了题为“Resequencing of 301 ramie accessions identifies genetic loci and breeding selection for fiber yield traits”的研究论文，对 301 份苎麻种质进行了全基因组重测序，绘制了苎麻基因组变异图谱，并揭示了与苎麻纤维产量相关的基因位点。

麻类研究所曾铮、朱四元、王延周、白雪花为共同第一作者，欧易生物张婷、鲍志贵和王恒允也参与此项研究。

研究结果

1. 纤维产量相关性状的 GWAS 分析

本研究的 301 份材料，包括 254 份农家种、13 份育种亲本、34 份栽培种。基因组重测序共产生 1.7 Tb 数据量，平均测序深度 19.5x，共鉴定到 595 万 SNPs 和 78 万 indels 位点。

分别统计苎麻纤维产量、以及与之相关的 3 个茎皮性状（皮重、皮厚、纤维产出率）和 2 个茎形性状（茎长、茎粗）。对这 6 个性状进行 GWAS 分析，共鉴定到 21 个与性状显著相关的基因位点。

进一步分析表明，58 个纤维产量相关的 SNPs 分别位于 21 个基因中，47 个与茎皮性状相关的 SNPs 分别位于 27 个基因中。不同发育阶段茎皮的表达谱，结果显示，上述的 SNPs 所在基因中有 7 个在发育纤维的茎皮中与未发育纤维次生壁的茎皮中表达差异显著。

GWAS 分析显示，Bnt09G014694 与皮厚显著相关，其在发育纤维的韧皮中表达显著下降。

与纤维产出率相关的位点中有 1 个位于 Bnt03G004997 的启动子区域（图 a），Bnt03G004997 过表达可以引起转基因拟南芥纤维数量的增加（图 c）。另外一个与纤维产出率相关的位点位于 Bnt10G014913 基因的下游 265 bp，Bnt10G014913 在水稻中的同源基因 Brittle Culm1 是已报道的与纤维素生物合成至关重要的基因。

Bnt10G015830 与皮重和纤维产量相关（图 a），其在发育纤维的韧皮中表达显著下降（图 b）。Bnt10G015830 基因在测序的 6 个品种中存在一个单碱基插入，这 6 个品种都表现为纤维高产（图 c-d）。表明 Bnt10G015830 为纤维产量性状候选基因，负向控制着纤维生长。

另外，本研究鉴定到一个脆杆苎麻种质“1380”，茎皮薄，几乎不含纤维（图 a）。通过对 F2 群体构建高密度遗传连锁图谱并 QTL 定位，在 14 号染色体定位到一个主效 QTL（图 b），进一步精细定位到果胶甲酯酶基因 Bnt14G019616 内（图 c-d）。表达分析显示，在纤维生长的韧皮中 Bnt14G019616 的 mRNA 和蛋白质表达水平都显著降低（图 e）。异源表达 Bnt14G019616 拟南芥茎中纤维束减少。表明 Bnt14G019616 负向调控纤维产量和茎皮厚度。

“1380”的 Bnt14G019616 启动子区域存在大量的变异，包括 4 个缺失和 148 个 SNPs（图 g）。表达分析显示，与对照相比，“1380”茎皮中 Bnt14G019616 转录本数量明显增加。Bnt14G019616 表达量与茎皮中果胶含量显著正相关，但与纤维产量显著负相关（图 h）。以上结果表明，Bnt14G019616 启动子区的自然变异可能与“1380”皮中极低的纤维含量有关。

2. 提高纤维产量的育种选择

我国苎麻育种历史较短，基因组选择清除分析显示，发现了 173 个基因组片段在苎麻育种中受到了强烈选择，总长度为 17.5 Mb，包含 1128 个基因（图 a）。结合纤维发育不同时期的转录组和蛋白质数据，显示其中 156 个基因受到了育种选择（图 c）。有意思的是，其中约 40.5% 的选择清除区域位于 9 号染色体，约占到该染色体总长度的 39.6%，表明苎麻育种改良中 9 号染色体受到了集中选择。

在基因组选择清除区域鉴定到 1 个与茎长相关的信号，鉴定到 4 个赤霉素相关基因。赤霉素受体 DELLA 基因 Bnt09G013717 在 301 份种质中共鉴定到 8 个单倍型，其中 Hap3 和 Hap7 主要存在于农家种中，Hap4 和 Hap6 主要存在于栽培种中（图 b）。皮重相关基因 Bnt05G008345 存在 6 个单倍型，其中 2 个单倍型仅在栽培种中存在。表明这些与纤维产量相关性状相关的基因在育种过程中受到了重点选择。