華中農大熊立仲教授團隊通過圖像性狀解析水稻抗旱性的遺傳基礎

在糧食作物中，水稻對乾旱脅迫最為敏感，乾旱會嚴重降低水稻產量甚至導致顆粒無收。通過對抗旱性遺傳基礎進行研究從而培育抗旱水稻品種是解決糧食安全問題的有效途徑。然而多年的研究顯示水稻抗旱性是由成千上萬個微效基因共同作用的，且乾旱環境下的產量性狀因其遺傳力低並不是研究抗旱性的理想指標。同時，抗旱性是植株在乾旱環境下動態乾旱響應的綜合結果，傳統的性狀無法用來跟蹤監測水稻對乾旱的動態響應，因而極大限制了抗旱應答的遺傳和分子機制的深入研究。

近日，華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室熊立仲課題組在國際知名學術期刊Molecular Plant上在線發表了題為「Genome-wide association studies of image traits reveal the genetic architecture of drought resistance in rice」的研究論文。該研究首次利用圖像性狀對水稻抗旱性的遺傳基礎進行研究，不僅為抗旱育種提供了高遺傳力的評價指標，而且證實了將複雜性狀解析成簡單圖像性狀的必要性和可行性。

本研究首先對處於乾旱環境下的水稻植株進行動態跟蹤獲取圖像，隨後通過圖像處理獲得51個圖像性狀。我們發現這些圖像性狀可以從不同角度監測水稻對乾旱的動態響應（圖1）。隨後獲取了507份水稻品種在脅迫前、脅迫下和復水後三個時期的圖像性狀數據，同時也獲取包括持綠、產量在內的傳統性狀。研究者發現這些圖像性狀在自然群體中有較大的變異且與傳統性狀顯著相關；通過兩年的抗旱性鑒定試驗發現這些圖像性狀明顯比傳統性狀的遺傳力高。

圖1 圖像性狀跟蹤監測水稻對乾旱的動態響應

通過對圖像性狀和傳統性狀進行全基因組關聯分析共鑒定到470個與抗旱性相關的位點，其中94%的位點是由圖像性狀鑒定到。同時470個位點中有93%與已報道的抗旱性相關的QTL共定位。基於GWAS結果，作者還構建了關聯網路，發現產量性狀可以分解成圖像性狀GPAR和TBR，用產量性狀只能鑒定到有限的位點，但是圖像性狀卻可以鑒定到大量的抗旱性相關位點。進一步研究發現GPAR和TBR可以對乾旱環境下植株的持綠水平和卷葉程度進行精確定量，分別代表耐旱機制和避旱機制。關聯網路的結果既證實了在抗旱過程中耐旱機制和避旱機制同時發揮作用，也證實了在遺傳研究中將複雜的抗旱性解析為簡單圖像性狀的必要性和可行性（圖2）。該研究還通過年度重複、連鎖分析對關聯分析結果進行進一步驗證，而且證實了基於圖像性狀的遺傳分析結果對於田間抗旱育種具有重要的指導意義。

圖 2 基於關聯網路將乾旱下的產量性狀解析為圖像性狀GPAR和TBR

該論文的第一作者為郭子龍博士，通訊作者為熊立仲教授和楊萬能副教授。相關工作得到國家重點研發項目、國家高技術研究開發計劃和國家自然科學基金等資助。

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