PNAS | 利用GWAS、转录组数据以及T-DNA插入突变体鉴定拟南芥水分利用效率的新遗传位点

水分利用效率(WUE)是指每单位消耗的水与所产生生物量的比率，是限制水分环境下作物性能的关键决定因素。提高作物的水分利用效率对提高作物生产力，实现农业水资源的可持续利用至关重要。在拟南芥中，许多水分利用和干旱相关性状存在显著的自然变异，连锁失衡的衰减发生在相对较短的时间间隔内，迄今为止，只有少数研究使用GWAS来确定影响水分利用效率的候选基因位点，而通过GWAS鉴定的干旱相关性状候选基因的验证数据则相对更少。

近日，Govinal Badiger Bhaskara 等人在国际知名期刊PNAS上在线发表题为“Natural variation identifies new effectors of water-use efficiency in Arabidopsis”的研究论文，该研究利用拟南芥水分利用效率的自然变异来挖掘影响生物量积累或水分利用的位点，根据GWAS结果和转录组数据对70个候选基因进行反向遗传分析，最终鉴定出25个影响拟南芥水分利用效率的基因，为了解水分利用效率的遗传基础和提高作物生产力提供了理论依据。

首先，研究对185份拟南芥种质进行干旱处理，通过GWAS分析确定了与水分利用效率可塑性变异相关的基因组区域，并结合转录组数据，鉴定出198个与WUE可塑性前500个SNP位点相关且在干旱胁迫期间上调的基因。进一步对这些基因进行GO富集分析，筛选出72+29个具有重要功能注释的候选基因用于后续的功能研究（图1）。

随后，研究对筛选出的候选基因进行反向遗传分析。利用重量分析法测试了覆盖70个候选基因的88个纯合T-DNA插入系对水分利用效率的影响，从中发现了三组对水分利用效率、生物量和耗水量影响不同的基因（图2）。

一、4个对水分利用效率呈负效应的基因。植物半胱氨酸氧化酶5 (pco5-1和2)、根部缺陷UGE (dur1)、钙依赖蛋白激酶23 (cpk23)和核斑点定位RNAa (nsra-1和2)的突变体增加了WUE，表明这些基因编码的蛋白对WUE有负面影响（图3）。

二、13个与激素、钙或胁迫信号相关的基因。13个基因突变体的水分利用效率大幅下降，主要是由于生物量大幅下降，尽管它们的耗水量也有所减少(图4)。

三、6个水分利用效率和生物量降低，但对总耗水量影响不大的突变体。With No Lysine (WNK11)、 Plethora 1 (PLT1),、AT2G45460、AT3G62220、Basic Penta Cysteine (BPC2)和Carbon Catabolite Repressor 4b(CCR4b)6个突变体的WUE降低，生物量降低，但对耗水量和SD无显著影响。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2205305119

转自：植物生物技术Pbj

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